Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем связи

Москва
Горячая линия – Телеком 
2021

Допущено УМО по образованию в области информационной безопасности 
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности  
«Информационная безопасность телекоммуникационных систем» 

УДК 621.396.67 
ББК 32.845 
     С61 

 
 
Сомов А. М. 
С61          Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем 
связи. Учебное пособие для вузов. − М.: Горячая линия – Телеком, 
2021. – 456 с.: ил.  

ISBN 978-5-9912-0416-3. 

Изложены принципы организации систем спутниковой связи и 
распространения радиоволн в этих системах. Приведены обширные 
сведения об антеннах земных и бортовых станций, методах расчёта их 
основных параметров. Рассмотрены используемые на практике распределение полос частот между службами и принципы организации 
зон территориального обслуживания спутниками связи. Особое внимание уделено особенностям конструкции и расчёту основных электрических параметров антенн, применяемых в спутниковых системах 
связи. Приведены алгоритмы расчёта некоторых энергетических соотношений на спутниковых линиях связи, а также основных параметров 
антенн. Реализованные на их основе программы расчета антенн и линий связи доступны для скачивания на сайте издательства.  

Для студентов и слушателей, обучающихся по специальности 
«Информационная безопасность телекоммуникационных систем», а 
также аспирантов и адъюнктов соответствующего профиля, будет полезна студентам инфокоммуникационных и радиотехнических специальностей, специалистам в области спутниковой связи. 
 
 
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

 
Учебное издание 

Сомов Анатолий Михайлович 
Распространение радиоволн и антенны  
спутниковых систем связи 
Учебное пособие  

Тиражирование книги начато в 2015 г. 

 
Все права защищены. 
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена  
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами  
без письменного разрешения правообладателя 
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» 
www.techbook.ru 
© А.М. Сомов 

Введение

Одна из особенностей современного мира — бурный рост информационной активности, проявляющейся в передаче больших потоков информации на значительные расстояния. Для доставки информации потребителям на обширной территории России и за ее
пределами создана Единая автоматизированная сеть связи, в которой сочетаются различные виды связи: проводная, радиорелейная,
тропосферная, спутниковая, волоконно-оптическая и другие. Среди указанных видов заметную роль играют спутниковые системы
связи (ССС).
Современные ССС отличаются надежностью и высоким качеством связи, всё возрастающей пропускной способностью, возможностью обеспечения услугами связи значительного числа корреспондентов, рассредоточенных на больших территориях. Стоимость доставки информации на расстояния, превышающие 1500 км, посредством
искусственных спутников Земли (ИСЗ) не выше, чем по наземным
каналам связи. Важнейшей особенностью ССС является их функциональная гибкость, позволяющая в короткие сроки перестроить
организационно-техническую структуру системы независимо от вида земных станций и средств их передвижения.
В России и во всем мире спутниковая связь широко используется для обеспечения телефонно-телеграфной связи, передачи мультимедийных программ, матриц газет и управленческой информации.
Для обеспечения связи с любой точкой земного шара созданы
международные глобальные системы спутниковой связи, такие как
Intelsat и «Интерспутник». Через спутники системы Intelsat, размещенные кластерами над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами, передается значительная часть международного телефонного
трафика и осуществляется почти весь телевизионный (ТВ) обмен.
Часть транспондеров ИСЗ сдается в аренду нескольким десяткам
страна для организации национальных ССС. За прошедшие годы
были разработаны и эксплуатировались несколько поколений ИСЗ

Введение

Intelsat, причём каждое следующее характеризуется применением
новых технических средств с возрастанием пропускной способности.
Предлагаемая книга предназначена для изучения принципов организации систем спутниковой связи и терминологии, особенностей
распространения радиоволн в этих системах, антенн земных станций и бортовых антенн, а также методов расчёта их основных параметров. Рассматриваются используемые на практике распределение
полос частот между службами и принципы организации зон территориального обслуживания спутниками связи.
Большое внимание уделено особенностям конструкции и расчёту основных электрических параметров антенн, применяемых в
спутниковых системах связи. Приведены алгоритмы расчёта некоторых энергетических соотношений на линии связи для спутников,
размещаемых на геостационарной орбите, а также основных параметров антенн.
Программы составлены с применением метода фрагментации
окружающего пространства для расчёта шумовой температуры антенн и математической программы Mathcad 14 и размещены на сайте издательства www.techbook.ru.

Принципы построения спутниковой
связи

1.1. Виды орбит. Основные определения.
Состав и назначение систем спутниковой связи

Основной особенностью систем спутниковой связи является размещение ретранслятора радиосигнала на искусственном спутнике
Земли (ИСЗ) с достаточно высокой орбитой, существующем достаточно длительное время без существенных затрат энергии на движение по этой орбите. При этом электрическое питание бортового
ретранслятора и других систем спутника осуществляется от энергии
солнечных батарей, освещаемых большую часть времени прямыми
солнечными лучами, а также от аккумуляторов, подзаряжаемых от
этих батарей.
На высокой орбите ИСЗ обслуживают большую территорию —
около одной трети поверхности Земли, поэтому через бортовые ретрансляторы спутников могут поддерживать связь любые станции
на этой территории. В этом случае три ИСЗ на геостационарной
орбите могут обеспечивать всемирную глобальную связь. Технические средства позволяют формировать достаточно узкие диаграммы
направленности бортовой антенны, чтобы можно было при необходимости обслуживать ограниченную площадь, занимаемую небольшим государством. Это создает возможность эффективно использовать частотный диапазон, выделенный для ИСЗ за счет многократного применения одних и тех же частот для обслуживания небольших соседних зон. Трасса радиолуча между ИСЗ и земной станцией
(ЗС) проходит обычно под углами наклона к земной поверхности,
превышающими 5 угловых градусов, что уменьшает влияние теплового излучения Земли на качество приема сигналов.
Спутниковая связь, начавшая свое развитие в середине 60-х гг.
с появлением советского спутника «Молния» и американского «Телстар», быстро развивается. К настоящему времени создано большое
число систем спутниковой связи и вещания, а также специального

Р а з д е л 1

назначения, различных по функциональным возможностям, обслуживаемой зоне, составу, информационной емкости, виду используемой орбиты.
Рассмотрим основные виды орбит в спутниковой связи [1].
. Геостационарные спутники (спутники на геостационарной орбите) располагаются на высоте примерно 36000 км «неподвижно» над определённой точкой земной поверхности. Эффект «неподвижности» достигается за счет движения
ИСЗ по экваториальной орбите со скоростью вращения Земли и зависания над определенной точкой её поверхности, расположенной
на экваторе. Связь через геостационарный спутник не имеет перерывов во времени из-за взаимного перемещения спутника и земной
станции, как это имеет место при других орбитах. Система из трех
спутников, равномерно распределённых на геостационарной орбите,
может обеспечить связь с терминалами пользователя практически
на всей территории земной поверхности.
К достоинствам систем с ИСЗ на геостационарной орбите следует отнести возможность непрерывной связи в глобальной зоне обслуживания на всей видимой со спутника части земной поверхности
и практическое отсутствие доплеровского сдвига частоты.
Орбитальный ресурс геостационарных ИСЗ достаточно высок,
активный срок их существования составляет около 15 лет и теоретически может быть ещё увеличен.
Спутники на геостационарных орбитах используются для систем радио- и телевизионного вещания, для которых задержки сигнала при распространении в 270 мс существенно не сказываются на
качестве сигналов. Суммарная задержка в системах этого класса, с
учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях, может
достигать 350. . . 400 мс, а это затрудняет переговоры по телефону
даже при современной технике подавления эха. В случае двойного
скачка на трассе с ретрансляцией через наземную станцию-шлюз,
задержка при переговорах становится неприемлемой. Геостационарные ИСЗ не могут также обеспечить требуемую по качеству связь в
высокоширотных районах земного шара и, следовательно, не гарантируют полное глобальное обслуживание.
Однако отмеченные выше достоинства систем связи с геостационарными спутниками существенно превышают отмеченные недостатки, благодаря чему большинство спутниковых систем используют именно такие орбиты.
.
Системы спутниковой связи со
средневысотными ИСЗ находятся на меньшем расстоянии от Земли

Принципы построения спутниковой связи
7

по сравнению с геостационарными. Они обеспечивают непрерывное
во времени высококачественное обслуживание абонентов за счёт использования высоких рабочих углов антенн земных станций и увеличения числа ИСЗ в поле зрения наземного абонента. Благодаря
этому можно снизить энергетический ресурс радиолинии, компенсирующий потери на распространение сигнала.
Одним из ограничений применения негеостационарной орбитальной группировки является наличие радиационных поясов Ван
Алена из заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли
и снижающих время существования оборудования спутников. Первый из этих поясов радиации высокой интенсивности (10000 имп/с)
простирается на высоте 2000. . . 9000 км до 30◦ широты в обе стороны от плоскости экватора, второй пояс такой же интенсивности
расположен на высотах от 13000 до 19000 км и до 50◦ широты в обе
стороны от плоскости экватора.
Средневысотные спутники МЕО (Medium Earth Orbit) располагают на орбите между первым и вторым поясами Ван Алена в диапазоне высот от 5000 до 15000 км и создают на земной поверхности
меньшую зону обслуживания, чем геостационарные. Для глобального охвата с однократным покрытием наиболее населенных районов Земного шара и судоходных акваторий необходимо от 7 до 12
средневысотных спутников.
Полная задержка времени распространения сигналов при связи
через такие спутники составляет не более 130 мс и позволяет использовать их для персональной радиотелефонной связи.
Средневысотные спутники лучше систем с более высокими орбитами по энергетическим показателям, но существенно уступают
им по времени пребывания КА в зоне видимости ЗС (1,5. . . 2 ч).
Орбитальный ресурс ИСЗ этого типа лишь незначительно меньше, чем у геостационарных, а период обращения вокруг Земли
для средневысотных круговых орбит составляет около 6 часов, из
которых незначительное время спутник находится в области тени
Земли. Это облегчает работу бортовой системы электропитания и
позволяет обеспечить срок службы от 12 до 15 лет.
.
В зависимости от наклонения
плоскости орбиты i спутника-ретранслятора относительно плоскости экватора различают низкие экваториальные (i = 0), полярные
(i = 90◦) и наклонные орбиты.
Системы связи с использованием спутников на низких наклонных и полярных орбитах применяются уже в течение более чем 30

Р а з д е л 1

лет для научно-исследовательских целей, дистанционного зондирования, навигации, метеорологических наблюдений, фотографирования поверхности Земли и других целей. В последние годы интенсивно осваиваются орбиты этого вида высотой от 700 до 1500 км, а
также орбиты экваториальные, высотой 2000 км, для организации
мобильной и персональной связи.
Низкие орбиты выигрывают по сравнению с другими видами
орбит в части энергетических характеристик, но проигрывают в продолжительности сеансов связи и времени активного существования
ИСЗ. Так, если период обращения аппарата составляет 100 мин, то
в среднем 30 % времени он находится на теневой стороне Земли и
его аккумуляторные батареи работают в режиме 5000 циклов зарядки/разрядки в год, что существенно сокращает срок их службы.
Выбор диапазона высот орбит 500. . . 2000 км для низкоорбитальных систем не случаен, поскольку на орбитах высотой менее
500 км плотность атмосферы относительно высока.
Это вызывает повышенное сопротивление воздуха и деградацию орбиты с постепенным снижением высоты апогея. Уменьшение высоты орбиты
приводит также к необходимости увеличения частоты маневров по
высоте для сохранения параметров орбиты и, как следствие, к повышенному расходу топлива.
Длительная работа электронной бортовой аппаратуры на орбитах выше 1500 км из-за наличия радиационного пояса Ван Алена
практически невозможна без использования специальных методов
защиты, а это ведет к существенному усложнению аппаратуры и
увеличению её массы.
Со снижением высоты орбиты уменьшается зона обслуживания
и требуется значительное большее количество спутников для глобального охвата обслуживаемой территории. Для низкоорбитальной
системы глобальной связи с непрерывным обслуживанием количество ИСЗ в орбитальной группировке должно быть не менее 48. Период обращения спутников на таких орбитах составляет обычно от
90 мин до 2 часов с максимальным временем пребывания в зоне видимости не более 10. . . 15 мин.
. Параметрами, характеризующими
тип эллиптической орбиты, является период обращения ИСЗ вокруг
Земли и эксцентриситет эллипса орбиты.
В настоящее время на
практике применяются несколько основных типов эллиптических
орбит с большим эксцентриситетом.
За счет значительной высоты апогея спутник на эллиптической орбите большую часть времени находится в зоне видимости оп

Принципы построения спутниковой связи
9

ределенного региона и обеспечивает непрерывную связь в течение
довольно длительного времени. Так, спутник на орбите типа «Молния» с апогеем 40000 км и перигеем 460 км может обеспечить сеансы
связи продолжительностью 8. . . 10 час.
Эти параметры соответствуют области максимально медленного движения спутника в области вблизи апогея и реализуют систему связи с как бы геостационарной (квазигеостационарной) орбитой
при использовании одного спутника из общего семейства в течение
3,5 часов.
Низкий апогей орбиты типа «Молния» приводит к повторяющимся пересечениям спутником пояса повышенной радиации и приводит к сокращению срока его службы.
По этой причине может
быть выбрана высокоэллиптическая орбита (ВЭО) с более высоким
перигеем (≈20 тыс. км), апогеем (≈50 тыс. км) и периодом обращения 24 часа.
Достоинствами и определёнными преимуществами ВЭО являются:
• зона видимости, включающая всё северное полушарие, в котором проживает большая часть человечества, а также его приполярные области;
• на ВЭО с одинаковыми параметрами и смещенной долготой апогея можно разместить несколько десятков независимых сетей
связи;
• для земных станций в высоких широтах обеспечиваются высокие углы подъёма антенн над горизонтом, что уменьшает внешние шумы и экранирование зданиями и неровным рельефом
местности;
• вывод спутника на орбиту и поддержание ее параметров требует
меньших затрат энергии, чем геостационарного спутника;
• запуск спутника на орбиту с полигона в северном полушарии
Земли не связан со значительным увеличением затрат энергии,
как это имеет мести при выводе спутника на геостационарную
орбиту.
В то же время ВЭО имеет и существенные недостатки по сравнению со стационарной орбитой. Так, антенны земных станций должны постоянно отслеживать движение спутника по орбите, число
сменяющихся спутников в составе одной сети связи должно быть
достаточно велико, либо на земных станциях должна применяться
слабонаправленная неподвижная антенна.
При высоконаправленной антенне во время связи необходимо
осуществлять переход главного лепестка диаграммы направленно

Р а з д е л 1

сти с одного спутника на другой, а в случае сети со слабонаправленными антеннами земных станций эта особенность касается только
антенны центральной станции.
В течение сеанса связи изменяется расстояние от спутника до
поверхности Земли и происходит изменение площади зоны покрытия и уровня сигнала, необходима также коррекция положения антенны спутника в процессе сеанса связи.
По сравнению с низкими орбитами достоинствами ВЭО является ее синхронность, более длинный сеанс связи через один спутник,
требуется меньшее число спутников в одной системе, увеличенная
зона обслуживания, недостатком — большее время распространения
сигнала.
. К основным характеристикам спутниковых систем с орбитами различного типа относятся:
• число ИСЗ в орбитальной группировке спутников;
• число орбитальных плоскостей, занимаемых группировкой;
• число ИСЗ в орбитальной плоскости;
• время пребывания ИСЗ в зоне видимости земной станции спутниковой связи;
• угол места (угол над плоскостью горизонта) оси антенны земной
станции, находящейся на краю зоны обслуживания.
Чем выше высота орбиты, тем меньшее число спутников требуется для глобального покрытия обслуживанием территории земной
поверхности. Для круговых орбит взаимосвязь между числом ИСЗ
N, высотой их орбиты и углом места над горизонтом определяется
выражениями:

N = pq = 4
√

3

9

(π

γ

)2
;
q =
2
√

3
π
γ ;
p = 2

3
π
γ ,

где p — число орбитальных плоскостей; q — количество космических аппаратов (КА) в одной плоскости; γ — угол, отсчитывается от
центра Земли между направлениями на ИСЗ и границу зоны обслуживания, γ = arccos[cos Θ/(1 + h/RЗ)] − Θ, где Θ — угол места ЗС
на границе зоны обслуживания; h — высота орбиты; RЗ — радиус
Земли.
Сравнительные характеристики спутниковых систем связи, использующих различные типы орбит (GEO, MEO, LEO), приведены в
табл. 1.1. В этой таблице приведены также краткие характеристики
систем с использованием высоких эллиптических орбит.