Адаптивная система спутниковой связи

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к области радиосвязи и может быть использовано в спутниковых системах связи. Техническим результатом изобретения является повышение помехозащищенности по отношению к случайным и преднамеренным помехам, что достигается за счет введения дополнительно на передающей станции блока оценки качества, формирователя сигнала "сброс" в ретрансляторе - демодулятора, устройства выделения сигнала "сброс", накопителя повторов, модулятора и в абонентской стации - ключа. 4 ил.

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

Известны системы спутниковой связи, описанные в работе Пуэнте Д., Шмидта В., Верта Л., "Методы многостанционной работы коммерческих ИСЗ", ТИИЭР, 1971, 59, 2, 117-130, в которых для компенсации нестабильности частоты бортового преобразователя, а также доплеровских сдвигов используется опорный сигнал, излучаемый через спутник наземной станцией. На каждой наземной станции принятый 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 случайным и преднамеренным помехам.

Известна также глобальная навигационная система ″Navstar″, описанная в журнале "Зарубежная радиоэлектроника", 1981, 8, 52-82. В этой системе для передачи информации между спутниками используются два фазоманипулированных широкополосных сигнала (ФМ ШПС) с тактовыми частотами 1МГц и 10МГц соответственно. Первый ФМ 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 случайным и преднамеренным помехам, обусловленная низкой помехозащищенностью борта.

Наиболее близкой по схемному решению к заявляемой системе является система спутниковой связи с обратной связью, описанная в книге Н.Т.Петровича, Е.Ф.Камнева, М.В.Каблуковой "Космическая радиосвязь", М.: "Сов. радио", 1979, с 66-68 - прототип.

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

1, 5, 12, 13, 20 - антенна;

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

3, 7 - демодулятор;

4 - получатель сообщения;

8 - блок управления;

9 - источник сообщения;

10 - модулятор;

11, 19 - передатчик (без модулятора);

15 - гребенка N полосовых фильтров;

16 - смеситель

17 - гетеродин;

18 - фильтр.

Система прототип состоит из передающих станций (ЦС), содержащих каждая последовательно соединенные приемную антенну 5, приемник 6, демодулятор 7, блок управления 8, источник сообщений 9, модулятор 10, передатчик 11 и передающую антенну 12; абонентских станций, содержащих каждая последовательно соединенные антенну 1, приемник 2, демодулятор и получатель сообщения 4, а также бортового спутникового ретранслятора содержащего последовательно соединенные приемную антенну 13, приемник (широкополосный антенный усилитель) 14, гребенки N канальных фильтров 15, смесителя 16, полосового фильтра 18, передатчика 19 и передающей антенны 20, а также гетеродина 17, выходом подключенного ко второму входу смесителя 16.

Известная система спутниковой связи работает следующим образом.

Передающая станция (ЦС) i-го направления (i=1,2,3...N) передает дискретную информацию на несущей частоте f_i, при этом может быть использован любой способ передачи, в том числе, предполагающий использование ФМ ШПС. Сигнал с несущей частотой f_i совместно с сигналами других направлении поступает на приемную антенну ретранслятора 13, усиливается в приемном устройстве (широкополосный антенный усилитель) 14 и расфильтровывается гребенкой из N фильтров 15.

Сигналы с выходов фильтров 15 поступают на смеситель 16, куда одновременно подается напряжение от гетеродина 17, сетка частот которого соответствует расстановке несущих частот передатчиков ЦС.

При этом с выхода фильтра 18 последовательно поступают посылки сигналов различных ЦС длительностью Т/N, соответствующие несущим частотам f_i (i=1,2,3,...N), где Т - длительность элементарного импульса сообщения переданного с ЦС. Таким образом, укороченные в N раз элементарные посылки поступают в передатчик 19 и излучаются антенной 20.

Сформированный и переизлученный таким образом ретранслятором групповой сигнал поступает на антенны 1 и 5 земных станций, на приемники 2 и демодуляторы 3 и 7, где 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 посылок противоположного знака, то блок управление несколько изменит частоту дискретизации (скорость передачи информации в источнике сообщений 9), чтобы стробирующий импульс в ретрансляторе (напряжение от гетеродина 17) приходился на середину посылки от данной i-той ЦС.

Таким образом, переданные со всех N ЦС сигналы (разделенные по частоте) в ретрансляторе уплотняются во времени (путем стробирования в смесителе 16 напряжением от гетеродина 17) и групповой сигнал переизлучателя на Землю. Выделение из уплотненного во времени группового сигнала сообщения соответствующего i-той ЦС происходят с помощью подстройки по тактам по обратному каналу путем изменения частоты дискретизации (скорости передачи информации источником сообщений 9) блоком управления 8.

Следовательно, смеситель 16, гетеродин 17 и полосовой фильтр 18 в ретрансляторе выполняют функцию аппаратуры временного уплотнения, а блок управления 8 представляет собой аппаратуру временного разуплотнения (см., например, Дж. Спилкер "Цифровая спутниковая связь" М., "Связь", 1979). При этом предполагается, что абонентская станция i-го направления может выделять из группового сигнала только информацию переданную i-той ЦС.

Это достигается, например тем, что при использовании ФМ ШПС, структуры модулирующих псевдослучайных последовательностей (ПСП) каждой ЦС отличаются друг от друга и в частном случае могут быть взаимноортогональными. Система прототип обладает низкой помехозащищенностью по отношению к случайным и преднамеренным помехам.

Целью предлагаемого изобретения является повышение помехозащищенности по отношению к случайным и преднамеренным помехам.

Поставленная цель достигается за счет введения дополнительно на передающей станции блока оценки качества, формирователя сигнала "сброс"; в ретрансляторе - демодулятора, устройства выделения сигнала "сброс" (УВСС), накопителя повторов, модулятора; в абонентской станции - ключа.

Блок - схема заявляемой системы представлена на фиг.2, где обозначения блоков 1-7, 9-15, 19, 20 те же, что и в прототипе,

17 - устройство выделения сигнала "сброс";

18 - ключ;

21 - демодулятор;

22 - накопитель повторов;

23 - модулятор;

8 - блок оценки качества;

16 - формирователь сигнала сброс.

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

В аппаратуре ЦС: дополнительный выход демодулятора 7 соединен через блок оценки качества 8 с выходом источника сообщений 9, а через блок 8 и формирователь сброса 16 - с дополнительным входом модулятора 10, выход источника сообщений 9 соединен с другим входом блока оценки качества 8.

В аппаратуре спутникового ретранслятора последовательно соединенные демодулятор 21, накопитель повторов 22 и модулятор 23 включены между гребенкой фильтров 15 и передатчиком 19, другой выход демодулятора 21 через устройство выделения сигнала сброса 17 соединен с накопителем повторов 22 и другим входом модулятора 23.

В аппаратуре АС: выход демодулятора 3 через ключ 12 соединен с получателем сообщений 4, другой выход демодулятора 3 соединен с другим входом ключа 18.

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 ее обусловлена использованием на борту ненаправленных антенных устройств. Для повышения помехоустойчивости радиолинии Земля-Борт в прототипе и других известных аналогах применяется многократное повторение передающей станцией передаваемых ею сообщений (кодограмм). При этом решение об опознании той или иной кодограммы происходит в абонентских станциях мажоритарным путем, т.е. при приеме К повторов решение о принятых двоичных символах сообщений производится в пользу того элементарного символа (ноль или единица), который встречается на данном месте кодограммы большее число раз (>^К/₂). Таким образом, хотя помехоустойчивость приема при мажоритарном приеме повторяющихся сообщений повышается, борт остается практически незащищенным по отношению к длительно действующим помехам.

В связи с этим для повышения помехоустойчивости радиолинии Земля-Борт, и как следствие - повышения помехоустойчивости приема сообщений на абонентских станциях, предлагается ввести адаптивное когерентное накопление повторяющихся сообщений с принятием решения на передающей станции (ЦС). При этом накопление повторов происходит на Борту, Одновременно накопленный сигнал переизлучается на Землю. На ЦС происходит сравнение принятого сообщения с переданным и если качество приема удовлетворяет заданному критерию, то ЦС формирует низкоскоростной и, следовательно, помехозащищенный сигнал сброса, по которому на борту прекращается накопление повторов. Переизлученный Бортом на Землю сигнал сброса является меткой, по которой абоненская станция опознает то, что принятое ею с Борта сообщение является достоверным и его следует довести до получателя сообщения. Следует заметить, что хотя ЦС и абонентские станций расположены друг относительно друга на значительных расстояниях, тем не менее они находятся в равной помеховой обстановке и, следовательно, если ЦС принимает с Борта информацию с заданной достоверностью при воздействии случайных и преднамеренных помех, то и абонентская станция принимает ту же информацию и с той же достоверностью. Этот факт обусловлен узкой диаграммой направленности антенн наземных станций. В связи с этим принятие решения о принятом сообщении производится не абонентской станцией, а на ЦС, что и позволяет производить адаптивное накопление повторов.

Работа предлагаемой системы спутниковой связи аналогична прототипу с той разницей, что сигнал, переданный ЦС i-го направления после выделения в антенне 13, приемника 14 и гребенки фильтров 15, демодулируется в демодуляторе 21. Демодулированный сигнал поступает на вход накопителя повторов 22, где происходит когерентное накопление соответствующих элементарных символов повторяющихся кодограмм, с выхода накопителя 22 преобразованный таким образом сигнал поступает на вход модулятора 23, где модулируется любым известным методом и через передатчик 19 и антенну 20 переизлучается на Землю. После выделения в демодуляторе 7 принятый на ЦС сигнал поступает на вход блока оценки качества 8, где сравнивается с переданным сообщением любым известным методом (например мажоритарно) и если качество приема удовлетворяет заданному, то вырабатывается метка, которая поступает на формирователь 16, по которой формируется низкоскоростной сигнал сброса, сигнал сброса поступает далее на модулятор 10 и через передатчик 11 и антенну 12 излучается на Борт.

Сигнал сброса выделяется на борту аналогично информационному с той лишь разницей, что с выхода демодулятора 21 демодулированный сигнал поступает в устройство выделения 17, где происходит опознание сигнала. В случае если сигнал сброс принят на Борту, устройство выделения 17 вырабатывает метку, которая, будучи переизлученной на Землю, является признаком достоверности информации. Сигнал-метка после демодуляции в демодуляторе 3 открывает ключ 18 и информация с выхода демодулятора 3 поступает к получателю 4. Одновременно на Борту метка, выделенная устройством выделения сигнала сброс 17, с необходимой задержкой поступает на управляющий вход накопителя 22.

По этой метке прекращается дальнейшее накопление кодограмм и устройство накопления 22 готово к накоплению следующей повторяющейся кодограммы.

В прототипе ЦС излучает одну и ту же кодограмму строго определенное число раз, например К=30, в заявляемом объекте по достижении заданного качества приема на выходе блока оценки 8 вырабатывается сигнал, по которому источник сообщения 9 перестает повторять очередную кодограмму и начинает передавать следующую. При этом в зависимости от помеховой обстановки количество повторов может быть меньше 30.

Докажем достижение поставленной цели.

В системе - прототипе, как это показано выше, решение принимается на абонентской станции, а повторы анализируются мажоритарным способом. Но такой способ эффективен, только если помехи действуют кратковременно, а при долговременной помехе этот способ выигрыша в помехозащищенности не дает.

В заявляемой системе введено когерентное накопление повторов на Борту, а окончательное решение о качестве принимаемой информации принимается на передающей станции (ЦС). Следует иметь в виду, что ЦС и абонентская станция находятся, как это показано выше, в одинаковой помеховой обстановке (т.к. очень узкие диаграммы направленности антенн).

Таким образом, принимая решение на ЦС, мы всегда можем обеспечить заданную достоверность приема информации абонентскими станциями. Вследствие того, что накопление повторов происходит на борту, значительно повышается помехоустойчивость радиолинии Земля-Борт, которая является наиболее уязвимой. При этом если соотношения сигнал-шум на Борту в известной системе определяется, как известно, выражением , где

В - база используемого сигнала,

Р _с - полезная мощность сигнала,

Р_ш, Р _п - соответственно мощность шума и помехи в полосе полезного сигнала.

В заявляемой системе соотношение сигнал/шум определяется с учетом когерентного накопления повторов следующим выражением

где К - количество накапливаемых повторов.

Таким образом, если в заявляемой системе происходит накопление К=30 повторов, то это, как известно, увеличивает помехозащищенность линии Земля-Борт, а, следовательно, и всей системы на 15 дБ по сравнению с прототипом.

Остановимся подробно на аппаратурной реализации заявляемой системы.

Антенны 1, 5, 12, 13, 20; приемники 2, 6, 14; передатчики 11, 19, фильтры 15, ключ 18 являются стандартными элементами радиотехнических схем и могут быть выполнены любыми известными способами.

Модуляторы 10 и 23 могут быть выполнены любыми способами и должны обеспечить одновременную передачу двух сигналов, например, можно использовать четырехфазные модуляторы (см. вышеуказанную монографию Дж.Спилкера с.268-295).

Соответственно демодуляторы 3, 7, 21 могут быть выполнены любым способом, в частности, четырехфазные демодуляторы (см. Дж.Спилкера, а также Р.К.Диксон "Широкополосные системы" М. "Связь", 1979 и др.).

Блок оценки качества 8 может быть выполнен любым способом, например, как показано на Фиг.3. Где введены следующие обозначения 1 - счетчик, 2 - ключ, 3, 4 - регистр, 5 - компаратор. При этом выход счетчика 1 соединен с управляющим входом ключа 2. Тактовый вход счетчика 1 соединен с регистром 4 и через ключ 2 - с тактовым входом регистра 5. Информационный вход регистра 4 соединен с выходом демодулятора 7, а информационный вход регистра 5 соединен с выходом источника сообщений 9, при этом выходы регистров 3, 4 соединены с соответствующими входами компаратора 5, выход которого соединен с установочными входами счетчика 1, регистра 3, а также со входами формирователя 16 и источника сообщений 9.

При этом блок оценки качества 8 работает следующим образом Как только источник 9 начинает выдавать очередную кодограмму, она в последовательном режиме записывается в последовательно-параллельный сдвигающий регистр 3 (например, и/с 564 ИР6), при этом счетчик 1, коэффициент деления которого выбирается в соответствии с длиной кодограммы, по окончании записи последовательного последнего бита кодограммы в регистр 3, вырабатывает запрещающий импульс на ключ 2. После чего тактовые импульсы перестают поступать на тактовый вход регистра 3, а записанная в нем кодограмма в параллельном коде с выходов регистра 3 подана на входы компаратора 5 (например, и/с 564 ИП2) и постоянно находится на этих входах. Переизлученная ретранслятором информация после выделения с выхода демодулятора 7 поступает на вход регистра 4, далее аналогично регистру 3 в параллельном коде поступает с выхода регистра 4 на входы компаратора 5, с той лишь разницей, что в отличие от регистра 3 информация в регистре 4 постоянно обновляется по мере выделения в демодулятор 7. При этом, как только принятая информация побитно совпадет с переданной (записанной в регистре 3) на выходе компаратора 5 вырабатывается импульс сброса, который поступает на вход формирователя 16, источника сообщений 9, а также на установочные входы счетчика 1 и регистра 5. Таким образом, счетчик 1 обнуляется, а содержимое регистра 5 стирается и блок оценки качества 8 подготовлен для проверки следующей кодограммы, выделенной демодулятором 7.

Блок 16 (формирователь сброса) может быть выполнен различными способами, например, в виде генератора псевдослучайной последовательности (ГПСП), который управляется от блока оценки качества 8. При поступлении команды от блока оценки 8 формирователь 16 вырабатывает псевдослучайную последовательность (ПСП), которая излучается на борт и там выделяется в устройстве выделения сброса 17, которое в рассматриваемом случае может представлять собой согласованный фильтр на ПСП.

Накопитель повторов 22 может быть выполнен любым известным способом, например, как показано на фиг.4, где введены следующие обозначения: 1 - аналого-цифровой преобразователь, 2 - сумматор, 3 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), 4 - регистр. Накопитель повторов, представленный на фиг.4 предполагает запоминание в цифровом виде i-го блока в ОЗУ и суммирование в сумматоре 2 с i+1 блоком. Указанные элементы на фиг.4 представляют собой стандартные элементы цифровой техники, например, соответственно 1107 ПВ1, 564 ИМI, 564РУ2, 564ИР9.

В качестве базового объекта выбрана система спутниковой связи "Молния" с широкополосной аппаратурой "Кулон-М" (см. "Кулон Ш". Техническое описание. ШИ 200.I99.ТО-CC, Воронеж, 1976). В этой системе используется ФМ ШПС с полосой 4 МГц, кроме того, в ретрансляторе ФМ ШПС не демодулируется, т.е. спутник связи является фактически пассивным ретранслятором. Отсюда помехозащищенность линии Земля-Борт, а, следовательно, и всей системы в целом по отношению к случайным и преднамеренным помехам значительно ниже у базового объекта, чем у заявляемой системы.

Формула изобретения

Адаптивная система спутниковой связи, содержащая на центральной станции последовательно соединенные приемную антенну, приемник, демодулятор, источник сообщений, модулятор, передатчик и передающую антенну, на абонентской станции - последовательно соединенные приемную антенну, приемник и демодулятор, а также получатель сообщений, на ретрансляторе - последовательно соединенные приемную антенну, приемник и блок фильтров, а также последовательно соединенные передатчик и передающую антенну, отличающаяся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости к случайным и преднамеренным помехам, введены на центральной станции последовательно соединенные блок оценки качества канала и формирователь сигнала "сброс", выход которого подключен к другому входу модулятора, выход блока оценки качества канала подключен к управляющему входу источника сообщений, а первый и второй входы соединены соответственно со вторым выходом демодулятора и с выходом источника сообщений, на абонентской станции введен ключ, сигнальный и управляющий входы которого соединены с соответствующими выходами демодулятора, а выход подключен ко входу получателя сообщений, на ретрансляторе введены последовательно соединенные демодулятор, накопитель и модулятор, а также селектор сигнала "сброс", выход которого подключен к управляющим входам накопителя и модулятора, выход которого подключен ко входу передатчика, выход блока фильтров подключен ко входу демодулятора, первый и второй выходы которого подключены соответственно ко входу накопителя и селектора сигнала "сброс".

РИСУНКИ