Система спутниковой связи

Система спутниковой связи

Реферат

 

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано в системах спутниковой связи. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости к преднамеренным помехам. Для этого устройство содержит на абонентской станции антенну, приемник, демодулятор и оконечный блок, на центральной станции - приемную антенну, приемник, демодулятор, блок управления, источник информации, перемножитель, смеситель, усилитель мощности, передающую антенну, N-1 перемножителей, N-1 смесителей, коммутатор и датчик случайных чисел, также содержит синтезатор частот, генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП), на ретрансляторе - приемную антенну, широкополосный антенный усилитель, блок полосовых фильтров, блок перемножителей, коммутатор, ГПСП, блок поиска по частоте и задержке, блок когерентного сложения и датчик случайных чисел, блок уплотнения сигналов, передатчик. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано в системах спутниковой связи.

Известны системы спутниковой связи, описанные в работе Пуэте Д. и др. "Методы многостанционной работы коммерческих ИСЗ", ТИИЭР, 1971, 59.2, 117-130, в которых для компенсации нестабильности частоты бортового преобразователя, а также допплеровских сдвигов используется опорный сигнал, излучаемый через спутник опорной станцией. На каждой наземной станции принятый опорный сигнал вводится в систему автоподстройки частоты, которая обеспечивает точное размещение принятого спектра так, что каждая несущая попадает в полосу предназначенного для нее канального фильтра.

Недостатком таких систем является низкая помехоустойчивость к преднамеренным помехам.

Известны также системы спутниковой связи, использующие шумоподобные сигналы, однако в них не используется обработка сигналов на борту, а вследствие этого они обладают низкой помехоустойчивостью к случайным и преднамеренным помехам.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе является система спутниковой связи с обратной связью, описанная в книге Н.Т.Петровича, Е.Ф.Камнева, Е.К.Каблуковой "Космическая радиосвязь", М., "Сов.радио", 1979, с.66-68 - прототип. Система-прототип содержит орбитальный спутниковый ретранслятор N независимых наземных станций, осуществляющих связь через спутник.

Блок-схема прототипа представлена на фиг.1, где использованы следующие обозначения:

1 - антенна,

2 - приемник,

3 - демодулятор,

4 - блок управления (БУ),

5 - источник сообщения,

6 - модулятор,

7 - передатчик,

8 - передающая антенна,

9 - антенна,

10 - приемник,

11 - демодулятор,

12 - получатель,

13 - антенна,

14 - широкополосный антенный усилитель (ШАУ),

15 - гребенка N полосовых фильтров,

16 - смеситель,

17 - синтезатор частот (гетеродин),

18 - полосовой фильтр (ПФ),

19 - передатчик,

20 - антенна,

21 - перемножитель,

22 - генератор псевдослучайных последовательностей (ГПСП),

23 - смеситель,

24 - синтезатор частот,

25 - усилитель мощности.

Блоки 16, 17 и 18 объединим в укрупненный блок 32 - блок объединения сигналов. В центральной станции (ЦС) приемная антенна 1 соединена через приемник 2 и демодулятор 3 с БУ 4, выходом подключенным к источнику сообщения 5, выход которого соединен со входом модулятора 6, выходом подсоединенным через передатчик 7 к антенне 8. В приемной части антенна 9 через приемник 10 и демодулятор 11 подключена к получателю информации 12. Приемная антенна ретранслятора 13 через ШАУ 14 и гребенку полосовых фильтров (ПФ) 15 соединена со входом смесителя 16, другой вход которого соединен с синтезатором частот 17, а выход через фильтр 18 и передатчик 19 - с антенной 20. В случае использования щумоподобных сигналов модулятор 6 представляет собой перемножитель 21, ко второму входу которого подключен ГПСП 22 (см. монографию Н.Т.Петровича, стр.31), а передатчик 7, как известно, представляет собой последовательно соединенные смеситель 23 и усилитель мощности 25, при этом ко второму входу смесителя 23 подключен синтезатор частот 24.

Система-прототип работает следующим образом. Передающая станция передает информацию, формируемую в источнике сообщений 5, которая манипулируется в перемножителе 21 ПСП, генерируемой в ГПСП 22. Сформированный таким образом сигнал в передатчике 7 переносится на несущую частоту f_i, усиливается и через антенну 8 излучается в канал связи. Сигнал частоты f_i совместно с сигналами других направлений поступает на приемную антенну 13 ретранслятора, после чего усиливается в ШАУ 14 и расфильтровывается гребенкой из N полосовых фильтров 15. Полоса пропускания фильтров 15 выбирается достаточно широкой, чтобы обеспечить неискаженную передачу посылок сигнала. Сигналы с выходов фильтров 15 поступают на смеситель 16, на второй вход которого подается напряжение от синтезатора частот 17, сетка частот которого соответствует расстановке несущих частот передатчиков наземных станций. Таким образом, с выхода фильтра 18 последовательно поступают посылки сигнала различных передающих станций длительностью (где T - длительность элементарной посылки информационного сигнала, передаваемого наземной станцией); соответствующие несущим частотам f₁, f₂,..., f_N укороченные в N раз элементарные посылки передающих станций поступают в передатчик 19 и через антенну 20 излучаются в канал связи. Групповой сигнал, переизлучаемый ретранслятором, поступает на вход антенны 1 передающей станции каждого направления. В приемнике 2 и демодуляторе 3 из группового сигнала выделяются посылки, несушие сообщения этой передающей станции. В БУ 4 анализируются выделенные посылки. Если выделенная в ретрансляторе посылка попадает на границу двух соседних посылок противоположного знака, то БУ 4 несколько изменит частоту дискретизации, чтобы стробирующий импульс в ретрансляторе приходился на середину посылки. Т.о. смеситель 16, синтезатор 17 и фильтр 18 выполняют функции объединения сигналов (временного уплотнения), а блок управления 4, с учетом действия обратного канала, - поиск и подстройку по задержке.

Известная система может работать и в циркулярном режиме, когда имеется только одна передающая станция (центральная) и N приемных. В этом случае ретранслятор использует только одно направление, а остальные не задействованы.

Недостатком известной системы спутниковой связи является ее низкая помехоустойчивость к преднамеренным помехам противника, в частности к имитационным.

Целью предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости к преднамеренным помехам противника.

Поставленная цель достигается за счет введения следующих дополнительных блоков: в ретрансляторе - N перемножителей, коммутатора, ГПСП, датчика случайных чисел, блока поиска по частоте и задержке, на передающей станции - дополнительно (N-1) перемножителей, (N-1) смесителей, коммутатора, датчика случайных чисел.

Блок-схема предлагаемой системы спутниковой связи представлена на фиг.2, где обозначения блоков 1-15, 19-25 те же, что и у прототипа,

16 - перемножитель,

17 - блок когерентного сложения,

18 - коммутатор,

26 - коммутатор,

27 - датчик случайных чисел (ДСЧ),

28 - ГПСП,

29 - ДСЧ,

30 - блок поиска по частоте и задержке,

31 - аппаратура уплотнения.

Блоки 17 и 31 объединены в укрупненный блок 32 - блок объединения сигналов.

Связи между блоками те же, что и в прототипе, за исключением: второй выход блока демодуляции 3 через датчик случайных чисел 27 подключен к управляющему входу коммутатора 26, входы дополнительных N-1 перемножителей 21 подключены к выходу источника сообщений 5, а выходы N-1 дополнительных перемножителей через N-1 дополнительных смесителей 23 подключены ко входу усилителя мощности 25, вторые входы N перемножителей 21 через коммутатор 26 подключены к ГПСП 22, вторые входы дополнительных N-1 смесителей 23 подключены к выходам синтезатора частот 24; в ретрансляторе выходы гребенки N полосовых фильтров 15 через перемножители 16 подключены к блоку объединения сигналов 32, содержащему последовательно соединенные блоки 17 и 31, и к блоку поиска по задержке и частоте с последетекторным сложением 30, вторые входы N смесителей 16 через коммутатор 18 подключены к ГПСП 28, выход датчика случайных чисел 29 соединен с управляющим входом коммутатора 18 и со входом аппаратуры уплотнения 31, первый выход БПСС 30 соединен с управляющим входом ГПСП 28 и вторым входом аппаратуры уплотнения 31, второй выход БПСС 30 соединен со входом блока объединения сигналов 32, выход которого соединен с последовательно соединенными передатчиком 19 и антенной 20.

Заявляемая система связи работает аналогично системе прототипа. Особенностью заявляемой системы спутниковой связи является ретрансляция принятых с Земли сигналов с предварительной их демодуляцией на борту, поэтому необходимо производить поиск по частоте и задержке на борту и, следовательно, будет два режима работы системы: режим поиска и режим приема и передачи информации.

Рассмотрим режим приема и передачи информации.

В передатчике 7 и модуляторе 6 происходит формирование фазоманипулированного шумоподобного сигнала; при этом посредством смесителей 23 и синтезатора 24 происходит гетеродинирование сигнала, т.е. сформированный ФМ ШПС излучается не в одном, как в прототипе, а сразу в N частотных каналах, причем на вход каждого смесителя 25 поступает сигнал от источника сообщений, проманипулированный различными псевдослучайными последовательностями, которые могут быть, например, различными сдвигами одной и той же последовательности, получаемыми с разных отводов ГПСП 22. Для повышения помехоустойчивости к преднамеренным помехам недостаточно только расширить полосу передаваемого сигнала при помощи гетеродинирования. Поэтому информационный сигнал манипулируется в перемножителях 21 различными сдвигами псевдослучайной последовательности, формируемой в ГПСП 22, и в течение сеанса связи в каждый из N каналов может поступать любой из N сдвигов этой последовательности посредством коммутирования различных отводов ГПСП 22 коммутатором 26, управляемым датчиком случайных чисел 27. Таким образом на вход усилителя мощности 25 поступает параллельный составной сигнал, который и излучается в канал связи.

Излученный с Земли параллельный составной сигнал поступает на приемную антенну 13 ретранслятора, усиливается в ШАУ 14 и расфильтровывается гребенкой N полосовых фильтров 15. Таким образом на выходе каждого из N фильтров 15 выделяется фазоманипулированный щумоподобный сигнал. В перемножителях 16 с полученных таким образом сигналов снимается манипуляция путем перемножения с опорными последовательностями, генерируемыми в ГПСП 28 и поступающими через управляемый датчиком случайных чисел 29 коммутатор 18 на вторые входы перемножителей 16. Структура ДСЧ 29 полностью идентична структуре ДСЧ 27, поэтому с выходов перемножителей 16 на входы блока когерентного сложения 17 поступают демодулированные информационные сигналы, переданные с Земли. Чтобы не терялась энергия переданного с Земли параллельного составного сигнала, в блоке когерентного сложения 17 происходит когерентное сложение сигналов, поступивших с N каналов обработки. В результате на выходе блока когерентного сложения выделяется восстановленный информационный сигнал. Выделенный информационный сигнал поступает на аппаратуру уплотнения 31 совместно с сигналами управления, вырабатываемыми в ДСЧ 29 и БПСС 30, преобразованный таким образом сигнал с выхода АУ 31 модулируется любым известным методом в модуляторе 32 и излучается посредством передатчика 19 и антенны 20 в канал связи. Ретранслированный сигнал поступает на вход антенны 1, выделяется в приемнике 2, демодулируется и разделяется в блоке демодуляции 3. Сигнал управления, выработанный в БПСС 30, выделенный из группового сигнала в блоке демодуляции 3, поступает на вход блока управления 4, а сигнал управления, выработанный в ДСЧ 29, после выделения в блоке демодуляции 3 поступает на установочный вход ДСЧ 27. Таким образом, датчик случайных чисел 27 на передающей станции будет работать синхронно ДСЧ 29 ретранслятора. Приемная станция работает аналогично приемной станции прототипа.

Особенностью работы спутниковых систем связи является наличие значительных расстроек по частоте (вследствие нестабильности опорных генераторов и влияния эффекта Допплера). В заявляемой системе в ретрансляторе происходит снятие манипуляции псевдослучайной последовательности, т.е. демодуляция. Поэтому в заявляемой системе необходимо проводить поиск по частоте и задержке.

В режиме поиска заявляемая система работает следующим образом.

Применение когерентного сложения на борту затруднено в связи с наличием смещения частоты за счет эффекта Допплера. С целью исключения указанных трудностей предлагается в режиме поиска излучать с Земли неманипулированный информационный сигнал. Использование неманипулированного ШПС позволяет за счет увеличения времени накопления обеспечить требуемую помехоустойчивость поиска при использовании некогерентного (последетекторного) накопления элементов параллельного составного сигнала. Это позволяет в БПСС 30 использовать гребенки узкополосных фильтров, напряжения с которых после детектора складываются и сравниваются с выбранным порогом. Итак, при работе в режиме поиска блок управления 4 вырабатывает сигнал запрета на источник сообщений 5, в результате чего на его выходе не вырабатывается информация и неманипулированный информацией параллельный составной сигнал излучается в канал связи. Этот сигнал, как уже описано выше, усиливается в ШАУ 14, расфильтровывается гребенкой N полосовых фильтров 15 и поступает на вход перемножителей 16. ГПСП 28 генерирует последовательность (ПСП) с изменяющейся задержкой (изменение задержки равно длительности одного элементарного информационного символа). В результате на каждый из N выходов коммутатора 18 поступают изменяемые по задержке ПСП. Таким образом входной сигнал перемножается со всеми копиями опорного, сдвигаемыми по задержке, т.е. осуществляется пошаговый поиск по задержке. Результаты перемножения поступают с выходов перемножителей 16 на входы блока поиска по задержке и частоте 30. В БПСС 30 результаты перемножения детектируются, затем складываются, из них формируется порог и выбирается максимальный результат. При превышении какой-либо последетекторной суммой порога в БПСС 30 вырабатывается сигнал "наличие свертки", по которому в ГПСП 28 перестает изменяться задержка генерируемой ПСП, т.е. ГПСП 28 на борту и ГПСП 22 на Земле работают синхронно и произошел поиск по задержке. Одновременно с этим сигнал "наличие свертки", выработанный в БПСС 30, излучается на Землю, где после выделения он поступает на вход блока управления 4, в результате чего последний перестает вырабатывать сигнал запрета на источник сообщений 5 и передающая станция начинает излучать в канал связи информационный ФМ ШПС. Итак, после вхождения в синхронизм по задержке система переходит в режим приема информации, который описан выше. Следует отметить, что во всех режимах работы БПСС 30 осуществляет поиск по частоте, т.е. определяет допплеровское смещение частоты и в соответствии с этим вырабатывает сигнал управления на блок когерентного сложения 17. Это необходимо для того, чтобы сигналы с разных каналов обработки складывались в фазе.

Докажем достижение поставленной цели. Как известно, максимальная полоса частот ШПС определяется частотой следования двоичных символов псевдослучайной последовательности. В настоящее время максимальная полоса частот ФМ ШПС не превышает 20 МГц, в то время как несущие частоты спутниковых систем связи находятся в пределах 1-10 ГГц и, следовательно, полоса передающих устройств этих систем составляет 500 МГц и более. Для повышения помехоустойчивости к преднамеренным помехам желательно, чтобы ФМ ШПС занимал всю полосу передающих устройств. Как уже сказано выше, повышением тактовой частоты ПСП можно расширить полосу ФМ ШПС до 20 МГц. В предлагаемой системе спутниковой связи для дальнейшего расширения полосы ФМ ШПС применен метод гетеродинирования, т.е. на передающей станции спектр информационного сигнала размазывается по всем N каналам. Для того чтобы на борту отношение сигнал/шум не ухудшилось в сравнении со случаем передачи ФМ ШПС в одном частотном канале, в заявляемой системе применяется когерентное сложение информационных составляющих, т.е. размазанный спектр ФМ ШПС когерентно собирается.

Таким образом, чтобы эффективно противодействовать, противник должен в этом случае ставить помеху на полосу, которую занимает параллельный составной сигнал, однако он может воспользоваться также методом гетеродинирования. Чтобы этого не произошло, необходимо передавать в каждом канале информацию, манипулированную сдвинутыми по задержке ПСП. Таким образом, если противник в этом случае будет ставить помеху с размазанным спектром, то он поразит только какой-нибудь из N каналов, т.е. одна из N составляющих параллельного составного сигнала будет поражена и не будет когерентно складываться с остальными непораженными составляющими сигнала. Для того чтобы затруднить определение структуры составляющих параллельного составного сигнала, структура их меняется случайным образом. В системе прототипа, как описано выше, информация передается "неразмазанным" ФМ ШПС, т.е. его полоса ограничена, поэтому для того, чтобы его забить, противнику достаточно будет создать в той же полосе мешающий сигнал с уровнем в (где Б - база сигнала) большим (см. "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации". /Под ред. В.Б.Пестрякова, М., "Сов.радио", 1973 г.). Для того чтобы вывести из строя заявляемую систему связи, противник должен создать мешающий сигнал во всей полосе параллельного составного сигнала, т.е. в N·f=500 МГц (где f - полоса ФМ ШПС), также в большим уровнем, однако создать ФМ ШПС с такой большой полосой, как это уже указывалось выше, в настоящее время практически невозможно. Если же противник будет использовать ФМ ШПС с полосой f и воспользуется его гетеродинированием, расширив таким образом его полосу до N·f, то уровень мешающего сигнала должен быть в больше полезного, т.к. составляющие полезного сигнала когерентно складываются. Следовательно, фактически уровень полезного сигнала после когерентного сложения увеличивается в N раз. Для того чтобы составляющие мешающего сигнала складывались, противнику необходимо точно знать, какая в данный момент структура ПСП в каждом канале, но это практически очень сложная задача.

Таким образом, заявляемая система спутниковой связи в сравнении с системой прототипа значительно более помехоустойчива к преднамеренным помехам.

Остановимся на аппаратурной реализации заявляемой системы спутниковой связи.

Состав и назначение аппаратуры заявляемой системы спутниковой связи тот же, что и у прототипа, за исключением: управляемые многоканальные коммутаторы 18 и 26 могут быть выполнены любыми способами, например на основе параллельного соединения четырехканальных или восьмиканальных мультиплексоров - демультиплексоров 564, 133, 533, 134 серий интегральных микросхем 1564 КП1, 564КП2 и др. Генераторы псевдослучайных последовательностей 22, 28 могут быть построены на основе линий задержек с отводами, отрезков коаксиальных кабелей, регистров сдвигов на основе триггеров и др. (см. вышеуказанную монографию В.Б.Пестрякова, Р.Диксон "Широкополосная система", М., "Связь", 1979 и др). Блок демодуляции 3, 11 выполнен любыми способами, например последовательно соединенный демодулятор и аппаратура разуплотнения, необходимая для разделения уплотненных информационного сигнала, сигнала "наличие свертки" и сигнала управления от датчика случайных чисел 29. Датчики случайных чисел 27, 29 выполнены любым способом, например на основе сложения по модулю два нескольких ПСП генерируемых генераторами псевдослучайных последовательностей. Единственное требование к ДСЧ - то, чтобы структура вырабатываемых ими ПСП имела период значительно больший, чем период ПСП от ГПСП 22, 28.

Блок когерентного сложения 17 предназначен для сложения в одной фазе составляющих параллельного составного сигнала и может быть выполнен на основе фазовых детекторов или на основе когераторов (a.c. №296221, Берноскупи Ю.В., Вайзбург Г.М. "Система когерентного приема разнесенных сигналов "Сатурн-К", Труды НИИР №3, 1976 г. и др.). Для обеспечения поиска по задержке многочастотного сигнала в условиях допплеровского смещения частоты предлагается в режиме поиска в направлении Земля-Борт излучать неманипулированный (информацией) широкополосный сигнал (ШПС), который после перемножения на борту с опорными ПСП сворачивается в каждом из каналов в гармонический сигнал. Введение этого режима позволяет выполнить поиск по частоте и задержке многочастотного сигнала в блоке 30 путем использования последетекторного накопления. С учетом сказанного блок 30 может быть представлен так, как это сделано на фиг.3, где использованы следующие обозначения:

1₁...1_п - смеситель,

2₁ ...2_п - полосовой фильтр,

3₁...3 _п - детектор,

4₁...4_п - фильтр нижних частот (ФНЧ),

5 - сумматор,

6 - пороговое устройство,

7 - синтезатор частот.

В блоке 30, содержащем n каналов, в каждом из каналов осуществляется преобразование частоты входного сигнала, фильтрация в блоке 2, детектирование в блоке 3 и фильтрация в ФНЧ 4. С выхода ФНЧ 4 сигналы n каналов поступают на блок 5, где осуществляется их последетекторное сложение, суммарное напряжение в блоке 6 сравнивается с порогом. Сигнал о превышении или непревышении порога подается на блок 7, который при непревышении порога работает в режиме перестройки с шагом, определяемым требуемой точностью определения частоты. Диапазон перестройки блока 7 равен полосе неопределенности по частоте, обусловленной допплеровским ее сдвигом. При превышении порога в блоке 6 по его команде блок 7 прекращает перестройку, при этом с его выхода подается код частотной поправки на блок когерентного сложения 17, одновременно с выхода блока 6 подается команда об окончании поиска на блоки 28 и 31, т.е. поиск по частоте и задержке завершен.

Блок 31 выполняет функции уплотнения трех сигналов и может быть выполнен с использованием любого известного метода уплотнения, см., например, И.М.Тепляков и др. "Радиолинии космических систем передачи информации", стр.300, М., Сов.радио, 1975 г.

Блок управления 4 предназначен для отключения источника сообщений 5 в режиме поиска и включения его по сигналу "наличие свертки". В простейшем случае БУ 4 представляет собой реле, отключающее источник сообщений 5 при отсутствии сигнала на его входе и включающее источник сообщений при наличии сигнала на его входе.

Формула изобретения

1. Система спутниковой связи, содержащая на абонентской станции последовательно соединенные антенну, приемник, демодулятор и оконечный блок, на центральной станции - последовательно соединенные приемную антенну, приемник, демодулятор, блок управления, источник информации, перемножитель, смеситель, усилитель мощности и передающую антенну, второй вход смесителя соединен с выходом синтезатора частот, а также генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП), на ретрансляторе содержащая последовательно соединенные приемную антенну, широкополосный антенный усилитель и блок полосовых фильтров, блок уплотнения сигналов, выход которого подключен ко входу передатчика, выход которого подключен ко входу передающей антенны, отличающаяся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости к преднамеренным помехам, на центральной станции введены N-1 перемножителей, N-1 смесителей, коммутатор и датчик случайных чисел, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, а вход соединен со вторым выходом демодулятора, первые входы перемножителей объединены и соединены с выходом источника информации, выходы ГПСП через коммутатор подключены ко вторым входам соответствующих перемножителей, выходы N-1 перемножителей через соответствующие (N-1) смесители подключены ко входу усилителя мощности, вторые входы (N-1) смесителей соединены с соответствующими выходами синтезатора частот, а на ретрансляторе введены блок перемножителей, коммутатор, ГПСП, блок поиска по частоте и задержке, блок когерентного сложения и датчик случайных чисел, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора и первому входу блока уплотнения, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом блока когерентного сложения и первым выходом блока поиска по частоте и задержке, вход блока когерентного сложения соединен с выходом блока перемножителей и со вторым выходом блока поиска по частоте и задержке, выходы блока перемножителей соединены с соответствующими входами блока поиска по частоте и задержке, первый выход которого подключен ко входу ГПСП, выходы которого через коммутатор подключены к опорным входам блока перемножителей, сигнальные входы которого соединены с соответствующими выходами блока полосовых фильтров.

2. Система связи по п.1, отличающаяся тем, что блок поиска по частоте и задержке содержит N каналов обработки сигнала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных смесителя, полосового фильтра, детектора, и фильтр нижних частот, сумматор, пороговый блок и синтезатор частот, первые выходы которого подключены к первым входам смесителей каналов обработки сигнала, вторые входы которых являются входами блока поиска по частоте и задержке, вторым выходом которого является выход синтезатора частот, а первым выходом - выход порогового блока, который соединен со входом синтезатора частот, выходы фильтров нижних частот всех каналов обработки сигнала через сумматор подключены ко входу порогового блока.

РИСУНКИ