Адаптивная система спутниковой связи

Адаптивная система спутниковой связи

Реферат

 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к спутниковым системам связи. Технический результат - повышение помехоустойчивости. Сущность изобретения состоит в том, что адаптивная система спутниковой связи содержит на центральной станции последовательно соединенные приемную антенну, приемник, демодулятор, блок управления и источник сообщения, последовательно соединенные модулятор, передатчик и передающую антенну, управляющие входы передатчика и модулятора соединены с соответствующими выходами блока управления, на ретрансляторе - последовательно соединенные приемную антенну, приемник, блок фильтров, смеситель и первый фильтр, последовательно соединенные передатчик и передающую антенну, а также синтезатор частот, первый выход которого подключен к второму входу смесителя, на абонентской станции - последовательно-соединенные антенну, приемник, демодулятор и получатель информации. Согласно изобретению, на центральной станции введены коммутатор и блок памяти, выход которого через первый вход коммутатора подключен к входу модулятора, соответствующий выход блока управления подключен к объединенным управляющим входам коммутатора и блока памяти, выход источника сообщения подключен через второй вход коммутатора к входу блока памяти, на ретрансляторе - демодулятор, модулятор, последовательно соединенные перемножитель, второй фильтр и формирователь сигнала качества, а также генератор псевдослучайной последовательности, выходы которого подключены к опорным входам перемножителя и демодулятора, входы которых объединены и соединены с выходом первого фильтра, второй выход синтезатора частот, первый выход формирователя сигнала качества и выход демодулятора подключены к соответствующим входам модулятора, выход которого подключен к входу передатчика, второй выход формирователя сигнала качества подключен к входу синтезатора частот. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в спутниковых системах связи.

Известны системы спутниковой связи, описанные в работе Пуэнте Д., Шмидта В., Верта А. Методы многостанционной работы коммерческих ИСЗ, ТИИЭР, 1971, 59, 2, 177-130, в которых для компенсации нестабильности частоты бортового преобразователя, а также допплеровских сдвигов используется опорный сигнал, излучаемый через спутник наземной 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 их низкая помехоустойчивость к преднамеренным помехам.

Известны также системы спутниковой связи, использующие шумоподобные сигналы, однако в них не используется обработка сигнала на борту, чем обусловлена их низкая помехоустойчивость к преднамеренным помехам. Наиболее близкой по схемному решению к заявляемому объекту является система спутниковой связи, описанная в монографии Н.Т.Петровича, С.Ф.Камнева, М.В.Каблуковой "Космическая радиосвязь" М.: Сов.радио, 1979, с.66-68, которая выбрана в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

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

1, 5, 13, 20, 12 - антенна;

11, 19 - передатчик (без модулятора);

2, 6, 14 - приемник (без демодулятора);

3, 7 - демодулятор; 8 - блок управления;

10 - модулятор;

9 - источник сообщения;

4 - получатели сообщения;

15 - гребенка N фильтров;

16 - смеситель;

17 - синтезатор частот (гетеродин);

18 - фильтр.

Система-прототип состоит: из центральной станции (ЦС), содержащей последовательно соединенные антенну 5, приемник 6, демодулятор 7, блок управления 8, источник сообщений 9, модулятор 10, передатчик 11 и антенну 12, N абонентских станций, содержащих каждая последовательно соединенные антенну 1, приемник 2, демодулятор 3 и получатель сообщения 4, а также бортового спутникового ретранслятора, состоящего из последовательно соединенных антенн 13, приемник (широкополосный антенный усилитель) 14, гребенки N канальных фильтров 15, смесителя, полосового фильтра 18, передатчика 19, антенны 20, при этом второй вход смесителя 16 соединен с выходом синтезатора частот (гетеродина) 17.

Известная система спутниковой связи работает следующим образом. Передающая станция (ЦС) передает дискретную информацию на несущей частоте f_i, при этом может быть использован любой способ передачи, в том числе предполагающий использование широкополосных фазоманипулированных сигналов (ФМ ШПС) с тактовой частотой f_т.ч. Сигнал с несущей частотой f_i и тактовой частотой f_т.ч. совместно с сигналами других направлений поступает на приемную антенну ретранслятора, усиливается в приемном устройстве (широкополосный усилитель) 14 и расфильтровывается гребенкой из N фильтров 15. Сигналы с выходов фильтров 15 поступают на смеситель 16, куда одновременно подается напряжение от синтезатора частот 17, сетка частот которого соответствует расстановке несущих частот передатчиков земных станций. Таким образом с выхода фильтра 18 последовательно поступают посылки сигналов различных земных станций длительностью T/n, соответствующие несущим частотам f _i (i=1,2...N). Укороченные в N раз элементарные посылки поступают в передатчик 19 и излучаются антенной 20. Групповой сигнал, переизлученный ретранслятором, поступает на антенны 1 и 5 земных станций, далее на приемники 2 и 6 и демодуляторы 3 и 7. В демодуляторах 3 и 7 из группового сигнала выделяются посылки, несущие сообщения i-той передающей станции. В блоке управления 8 проводится анализ принятых посылок. Если "вырезанная" в ретрансляторе посылка попадает на границу двух соседних посадок противоположного знака, то блок управления 8 несколько изменит частоту дискретизации, чтобы стробируший импульс в ретрансляторе приходился на середину посылки.

Недостатком системы-прототипа является низкая помехоустойчивость к преднамеренным помехам.

Целью предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости к преднамеренным помехам.

Указанная цель достигается за счет введения дополнительных блоков в состав аппаратуры ЦС и ретранслятора. На центральной станции введены дополнительно коммутатор и блок памяти, включенные между источником сообщения 9 и модулятором 10 и соединенные с блоком управления 8. В ретрансляторе вводятся дополнительно демодулятор, генератор псевдослучайных последовательностей (ГПСП), блок фильтрации, блок формирования сигнала качества и модулятор. Указанные блоки подключены между фильтром 18 и передатчиком 19.

Структурная схема предлагаемого изобретения представлена на фиг.2, где использованы следующие обозначения:

1-20 - те же, что и в прототипе;

21 - демодулятор;

22 - ГПСП;

23 - перемножитель;

24 - блок фильтрации;

25 - блок формирования сигнала качества;

26 - блок памяти;

27 - коммутатор;

28 - модулятор.

Состав аппаратуры заявляемой системы спутниковой связи тот же, что и у системы-прототипа.

Связи между блоками в заявляемой системе те же, что и у прототипа за исключением.

Последовательно соединенные перемножитель 23, блок фильтрации 24, блок формирования сигнала качества 25 и модулятор 28 включены между фильтром 18 и передатчиком 19. Выход ГПСП 22 соединен со вторым входом перемножителя 23. Вход демодулятора 21 соединен с выходом фильтра 18 и первым входом перемножителя 23, выход - со вторым входом модулятора 28, а тактовый вход - с генератором псевдослучайных последовательностей. Третий вход модулятора 28 соединен с синтезатором 17, вход которого соединен со вторым выходом блока формирования сигнала качества 25.

Поясним суть предлагаемого изобретения. Известно, что в системах спутниковой связи наиболее уязвимым местом с точки зрения защиты от преднамеренных помех является радиолиния Земля-Борт. Уязвимость этой радиолинии обусловлена использованием на борту ненаправленных антенных устройств. Для повышения помехоустойчивости радиолинии Земля-Борт предлагается применять в ней программную перестройку несущей частоты широкополосного фазоманипулированного сигнала с тактовой частотой f_т.ч. и полосой занимаемых частот F. Эта перестройка осуществляется в полосе f, перекрывающей несколько частотных каналов (стволов). Передаваемая информация разбивается на информационные блоки, которые многократно повторяются в процессе передачи информации. Каждый информационный блок (или несколько информационных блоков) передается на одной из частот квазислучайной программы. Одновременно с передачей данного i-го информационного блока на i-ой частотной позиции (f_i), он записывается в блок памяти и хранится в ней до приема о борта квитанции с качестве приема данного информационного блока в приемнике ретранслятора. При хорошем качестве содержимое ячеек блока памяти обнуляется и в освободившиеся ячейки записывается новый информационный блок, передаваемый на другой частотной позиции. При плохом качестве - информационный блок, хранящийся в ячейках блока памяти передается вновь в канал связи, но уже на следующей частотной позиции, при этом содержимое ячеек памяти обнуляется только в случае получения с борта квитанции о хорошем качестве приема данного информационного блока в ретрансляторе.

Для того, чтобы не было перерыва в связи предполагается использовать два массива памяти. При этом длительность информационных блоков записываемых в каждый массив памяти равна времени распространения на линии Земля-Борт-Земля.

С целью обеспечения возможности оценки качества приема информации на борту предполагается в направлении Земля-Борт излучать 4-х фазный сигнал, состоящий из информационной псевдослучайной последовательности (ИП), модулируемой информацией и пилот-сигнала (СП). В приемнике ретранслятора СП используется для оценки качества приема информации. Это достигается за счет фильтрации гармонического сигнала, получаемого после свертки СП с опорным сигналом и отфильтрованным в блоке фильтрации 24 (который перекрывает полосу неопределенности по частоте), а также сравнении результата свертки с порогом, формируемым в блоке формирования сигнала качества 25.

В радиолинии Борт-Земля требования по устойчивости к преднамеренным помехам менее жесткие, чем к радиолинии Земля-Борт, вследствии использования наземными станциями узконаправленных приемных антенн. Поэтому в направлении Борт-Земля могут быть сигналы использованы как широкополосные, так и узкополосные сигналы.

Поиск и синхронизация по частоте и задержке на линии Земля-Борт и Борт-Земля в предлагаемой системе спутниковой связи, в случае использования ФМ ШПС, может осуществляться любым известным способом. Для сокращения области неопределенности по частоте и задержке используются данные о местоположении спутника в пространстве, вырабатываемые аппаратурой программного наведения (АПН). Синхронизация программы перестройки по частоте осуществляется за счет передачи состояния синтезатора частот (гетеродина) 17 на борту по линии Борт-Земля.

При использовании данных АПН и приеме на Земле состояния синтезатора частот 17 на борту неопределенность по задержке по линии Земля-Борт значительно меньше длительности излучения на каждой частотной позиции. Остаточная неопределенность по задержке устраняется методом подстройки Земли под Борт (за счет пошагового изменения задержки ГПСП Земли, входящего в состав модулятора 10, до получения квитанции о хорошем качестве приема сигнала в ретрансляторе). Остаточная неопределенность по частоте также устраняется путем дискретного изменения частоты передатчикам 11 Земли до получения квитанции.

Работа предлагаемой системы связи осуществляется следующим образом.

С борта на Землю передается состояние синтезатора частот 17, при этом сигнал с выхода синтезатора 17 поступает на модулятор 28, далее усиливается и фильтруется в передатчике 19 и через антенну 20 излучается в канал связи. На Земле этот сигнал принимается в антенне 5, усиливается и фильтруется в приемнике 6, демодулируется демодулятором 7 и поступает в блок управления 8, который в соответствии с принятым сигналом устанавливает перестраиваемый синтезатор частот в передатчике 11. Одновременно с этим в передатчик 11 поступают данные о дальности от АПН. В соответствие с этим ЦС начинает передачу ФМ ШПС с программной перестройкой рабочей частоты, при этом информационные блоки, вырабатываемые источником сообщений 9 одновременно подаются на модулятор 10 и блок памяти 26. В модуляторе 10 и передатчике 11 известным методом формируется четырехфазный сигнал, при этом информационный сигнал модулирует ИП, а СП передается на борт без наложения манипуляции. Несущая сформированного ФМ ШПС в передатчике 11 изменяется по квазислучайной программе.

Вхождение в синхронизм по частоте и задержке по линии Земля-Борт осуществляется следующим образом. По командам с блока управления 8 осуществляется пошаговое изменение задержки ШСП в передатчике 11, при этом на каждой временной позиции передатчик излучает информацию на определенной несущей в течение времени, определяемого помехоустойчивостью системы и временем распространения радиоволн по линии Земля-Борт-Земля. При совпадении по задержке опорного и принимаемого сигналов на борту на выходе перемножителя 23 появляется гармонический сигнал, который фильтруется с необходимой точностью в блоке фильтрации 24, с выхода которого отфильтрованный сигнал подается в блок формирования сигнала качества 25, где сравнивается с порогом. При превышении порога в блоке формирования сигнала качества 25 формируется сигнал "хорошо", который поступает в модулятор 28, и далее усиливается в передатчике 19 и излучается антенной 20. Этот сигнал принимается антенной 5, усиливается в приемнике 6 и выделяется в демодуляторе 7. Выделенный в демодуляторе 7 сигнал "хорошо" поступает в блок управления 8, который начинает вырабатывать команды управления на коммутатор 27 и блок памяти 26. По этим командам осуществляется обнуление соответствующего массива памяти и запись в него нового блока. Одновременно информационный блок подается на модулятор 10, усиливается в передатчике 11 и излучается антенной 12 в канал связи. В том случае, если порог не превышен, то блок формирования сигнала качества 25 вырабатывает сигнал "плохо", по этому сигналу осуществляется установка в синтезаторе 17 следующей частотной позиции программы. Сигнал "плохо" аналогично сигналу "хорошо" передается по линии Борт-Земля, выделяется демодулятором 7 и подается на блок управления 8, который начинает вырабатывать команды запрета на передатчик 11, коммутатор 27 и блок памяти 26. По этим командам в синтезаторе частот передатчика 11 устанавливается следующая очередная частотная позиция программы, а информационный блок, записанный в памяти 26, вновь передается по линии Земля-Борт. Таким образом при воздействии преднамеренных помех, при поражении какой-либо частотной позиции программы, соответственно переданный на этой несущей информационный блок вновь передается, но уже на другой частотной позиции.

Докажем достижение поставленной цели.

В системе-прототипе могут быть использованы любые способы передачи дискретной информации, в том числе методы передачи, основанные на использовании ФМ ШПС. Однако при применении ФМ ШПС полоса частот, занимаемая сигналом, излучаемым в направлении Земля-Борт ограничена. Эти ограничения обусловлены быстродействием существующей элементной базы. В настоящее время использование тактовых частот поэтому ограничено 20 МГц. В связи с этим полоса частот, занимаемая ФМ ППС, не может быть больше 40 МГц. Поэтому известная спутниковая система связи имеет низкую помехозащищенность к преднамеренным помехам, обусловленную ограничением базы ШПС, что особенно ярко проявляется при передаче высокоскоростной информации. В то же время спутниковые системы связи работают как правило в СВЧ-диапазоне, при этом полоса частот приемных и передающих устройств ретрансляторов и наземных станций составляет сотни мегагерц (500 МГц).

В предлагаемой системе спутниковой связи повышение помехоустойчивости к преднамеренным помехам обеспечивается за счет введения квазислучайной перестройки ФМ ШПС в широкой полосе частот (500 МГц). Вследствие того, что перестройка несущей ФМ ШПС осуществляется по случайному закону, противник для подавления системы связи вынужден забивать значительно более широкую полосу (500 МГц) по сравнению с известной системой (40 МГц).

Кроме того, в предлагаемой системе связи на борту обеспечивается оценка качества принимаемой информации на каждой частотной позиции программы и в случае плохого качества принятой на борту информации обеспечивается ее повторение на другой частотной позиции программы по линии Земля-Борт.

Предложенный принцип работы системы обеспечивает возможность доведения до абонентов информации при наличии в используемом диапазоне частот хотя бы одной свободной от помех частот. В то время как в системе-прототипе из всего диапазона для передачи используется только одна фиксированная частота, при поражении помехой которой доведение боевых команд до абонентов становится невозможным. Дополнительное повышение помехоустойчивости передачи информации в предлагаемой системе достигается за счет демодуляции сигналов на борту.

Остановимся подробнее на аппаратурной реализации вновь введенных блоков.

Многоканальный коммутатор 27 может быть выполнен любым известным способом, например, на основе мультиплексоров - демультиплексоров на интегральных схемах серий 130, 133, 164, 564, 530 и др.

Двухмассивный блок памяти 26 представляет собой, например, набор оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) с соответствующими схемами управления, выполненными на интегральных схемах серий 130, 133, 164, 564, 541 и др.

Блок управления 8 должен, как это описано выше, вырабатывать сигналы разрешения или запрета в соответствии с тем, какой сигнал качества приема ("хорошо" или "плохо") был подан на его вход. Поэтому блок управления 8 в простейшем случае представляет собой набор токовых ключей и двоичных счетчиков в виде интегральных схем серий 130, 133, 564 и др.

Демодулятор 21, ГПСП 22, блок фильтрации 24 и модулятор 28 могут быть выполнены любыми известными способами (См., например, Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. Под ред. В.Б.Пестрякова, М.: Сов.радио, 1973, Р.К.Диксон. Широкополосные системы М.: Связь, 1979 и др.)

Блок формирования сигнала качества 25 представляет собой в простейшем случае последовательно соединенные фильтр и пороговое устройство, которые могут быть выполнены любами известными" способами. Сигнал "хорошо" вырабатывается если выделенный фильтром сигнал превышает сформированный пороговым устройством порог, в противном случае вырабатывается сигнал "плохо".

В качестве базового объекта выбрана глобальная навигационная система "Navstar", описанная в журнале "Зарубежная радиоэлектроника" 1981, 8, стр.52-82. В этой системе для передачи информации между спутниками используется два ФМ ШПС с тактовыми частотами 1 МГц и 10 МГц соответственно. Первый ШПС используется для быстрого вхождения в синхронизм и передачи сигналов бортового времени, второй ШПС используется для передачи закрытых сообщений. Недостатком указанной системы спутниковой связи является ее недостаточная устойчивость к преднамеренным помехам, обусловленная использованием ШПС с ограниченной полосой частот (20 МГц).

Формула изобретения

Адаптивная система спутниковой связи, содержащая на центральной станции последовательно соединенные приемную антенну, приемник, демодулятор, блок управления и источник сообщения, последовательно соединенные модулятор, передатчик и передающую антенну, управляющие входы передатчика и модулятора соединены с соответствующими выходами блока управления, на ретрансляторе - последовательно соединенные приемную антенну, приемник, блок фильтров, смеситель и первый фильтр, последовательно соединенные передатчик и передающую антенну, а также синтезатор частот, первый выход которого подключен к второму входу смесителя, на абонентской станции - последовательно-соединенные антенну, приемник, демодулятор и получатель информации, отличающаяся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости к преднамеренным помехам на центральной станции введены коммутатор и блок памяти выход которого через первый вход коммутатора подключен к входу модулятора, соответствующий выход блока управления подключен к объединенным управляющим входам коммутатора и блока памяти, выход источника сообщения подключен через второй вход коммутатора к входу блока памяти, на ретрансляторе - демодулятор, модулятор, последовательно соединенные перемножитель, второй фильтр и формирователь сигнала качества, а также генератор псевдослучайной последовательности, выходы которого подключены к опорным входам перемножителя и демодулятора, входы которых объединены и соединены с выходом первого фильтра, второй выход синтезатора частот, первый выход формирователя сигнала качества и выход демодулятора подключены к соответствующим входам модулятора, выход которого подключен к входу передатчика, второй выход формирователя сигнала качества подключен к входу синтезатора частот.

РИСУНКИ