Адаптивная система спутниковой связи

 

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 ΔF. Эта перестройка осуществляется в полосе Δf, 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