Исследование, разработка и внедрение широкополосных устройств систем радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи

Актуальность проблемы.

В последние десятилетия в России (до 1991 г. в СССР) как и во всем мире, происходило интенсивное развитие инфраструктуры связи, в том числе транспортной среды, коммутационной техники и сети доступа. Развивались как национальные, так и международные сети. Существующие аналоговые сети и линии связи уже не могли удовлетворить потребности рынка. Основная среда передачи 60-х годов — медный кабель, в том числе коаксиальный, имел естественные и непреодолимые для того времени ограничения, связанные с недостаточной полосой пропускания. Нарастающий поток информации потребовал новых средств ее передачи с большей пропускной способностью.

Наряду с кабельными линиями, широкое развитие получают радиорелейные и тропосферные линии связи. С начала 60-х годов важнейшим средством дальней телефонной связи и передачи телевидения становятся спутниковые линии связи.

Необходимость увеличения объемов передаваемой информации, а следовательно, необходимость повышения щирокополосности линий связи, диктовалась требованиями народного хозяйства и обороны страны. Начиная с 1993 г., резко возрос обмен информацией в компьютерных сетях. Уже в ближайшие два года объем информации в сети Internet превысит объем информации, циркулирующий в сетях телефонной связи общего пользования. Дальнейший рост передаваемой информации ожидается в связи с внедрением интерактивного цифрового телевизионного вещания. В значительной степени возрастут потоки информации в сети подвижной связи 3-го поколения. По мере роста трафика, линии связи становятся более широкополосными, растут мощности передатчиков и повышается чувствительность приемных устройств, осваиваются новые, более высокие диапазоны частот.

Построение перспективных систем передачи информации сопряжено с прогнозированием развития сферы услуг связи и распределением видов и объема услуг между волоконно-оптическими, радиорелейными и спутниковыми системами. Такое прогнозирование, основанное на изучении тенденций развития систем и средств связи и предоставляемых услуг, становится особенно актуальным в новых экономических условиях.

По мере развития высокоскоростных магистральных и зоновых линий и внедрения новых услуг связи, решалась задача построения сетей общего пользования и ведомственных сетей с использованием радиорелейных и спутниковых средств. Наиболее острой стала проблема абонентского доступа, особенно, для высокоскоростного обмена информацией. С широким внедрением волоконно-оптических сетей связи изменилась структура услуг, предоставляемых спутниковыми системами, что потребовало новых решений построения бортовых ретрансляторов геостационарных спутников связи и создания спутниковых систем с использованием ИСЗ на негеостационарной орбите.

Важнейшей и, в ряде случаев, определяющей частью любой радиолинии являются передающие устройства. Как правило, требования, которые стоят перед передатчиками тех или иных средств связи, опережают возможности электронной промышленности по разработке и поставке необходимых электровакуумных или полупроводниковых приборов, отвечающих необходимым параметрам. Главнейшими среди этих параметров являются мощность в заданном диапазоне частот, ширина полосы частот, долговечность.

Поэтому, наряду с постановкой новых требований к электровакуумным и полупроводниковым приборам, шел поиск таких схемотехнических решений, которые бы позволили достаточно быстро получить необходимые качественные показатели устройств на существующей элементной базе. Этот постоянно протекающий процесс роста требований способствует совершенствованию технологий как в телекоммуникационной, так и в электронной промышленности.

В настоящее время в России отсутствуют спутниковые системы, способные удовлетворительно решать вопросы обеспечения телефонной связью подвижных абонентов, а также стационарных абонентов в труднодоступных и малонаселенных пунктах. Отсутствуют средства спутниковой связи, обеспечивающие доступ в национальные и глобальные сети передачи данных для большой категории потенциальных абонентов. Перспективные разработки отечественных спутниковых систем («Ямал», «Марафон» и др.), в основном, предполагают использовать геостационарные или высокоэллиптические орбиты. Развертывание этих систем не решит все ч* задачи обеспечения связью, в том числе подвижной, пользователей в труднодоступных и малонаселенных местностях. Только две разрабатываемые системы -" Гонец" и «Сигнал» ориентированы на низкие орбиты, причем система «Гонец» не рассчитана на работу в реальном масштабе времени. Система «Сигнал» имеет ограниченную пропускную способность и низкое качество телефонных каналов. В других российских проектах не рассматриваются альтернативные варианты построения космических группировок для решения телекоммуникационных задач.

Одобренная Правительством РФ в начале 1993 г. «Программа развития системы спутниковой связи и вещания РФ до 2000 г.» (Программа «Россия»), была, в основном, направлена на увеличение телефонной плотности и обеспечение населения радиои телевещательными программами. За последние годы произошли существенные изменения в потребностях и номенклатуре услуг связи, которые не могли быть учтены при разработке Программы «Россия» в начале 90-х годов. Во много раз выросли потребности в широкополосной связи, подвижной телефонной связи и в ряде других новых услуг.

Таким образом, актуальность проблемы, решению которой посвящена данная диссертационная работа, обусловлена необходимостью передачи больших объемов информации в реальном масштабе времени, требованиями информационной безопасности России, а также необходимостью построения современных отечественных систем и средств радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи. Стратегические задачи развития этих систем включают в себя:

• создание спутниковых цифровых систем связи с высокой пропускной способностью и помехоустойчивостью в интересах народного хозяйства, обороны страны и правительственной связи;

• создание российских спутниковых систем, обеспечивающих интеграцию в мировое информационное пространство, предоставление высокоскоростного доступа к глобальным и национальным компьютерным сетям и услуг подвижной радиотелефонной связи;

• создание радиорелейных и тропосферных систем и сетей с предельно возможной для этого вида техники пропускной способностью;

• создание основных радиотехнических средств, обеспечивающих широкополос-ность радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем.

Цель исследований.

Целью проведенных исследований является решение проблем, связанных с созданием в России высококачественных широкополосных радиорелейных, тропосферных и спутниковых линий и систем связи, в том числе, с разработкой спутниковых систем с высокой помехоустойчивостью и помехозащищенностью, с построением спутниковых систем с использованием низкоорбитальных и среднеорбитальных космических аппаратов и с разработкой высокочастотных устройств для этих линий.

В диссертации сформулированы и впервые решены следующие научные и технические проблемы:

• прогнозирование динамики развития номенклатуры услуг связи, предоставляемых геостационарными, иизкоорбитальными и среднеорбитальными спутниковыми системами;

• разработка принципов построения и тактико-технических характеристик широкополосных геостационарных, среднеорбитальных и низкоорбитальных спутниковых систем связи;

• разработка принципов создания помехоустойчивых цифровых спутниковых систем связи за счет оптимального сочетания различных способов повышения помехоустойчивости;

• разработка методов построения высоконадежных сетей связи на основе использования тропосферных и радиорелейных систем;

• разработка принципов построения крупных узлов спутниковой связи;

• разработка теоретических и технических основ построения широкополосных высокочастотных трактов и передающих устройств для радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи с использованием мостовик и цепочечных схем сложения модулированных СВЧ колебанийопределение предельных возможностей схем сложения;

• разработка мощных частотно-модулированных и импульсно-модулированных широкополосных передатчиков с использованием схем сложения;

• разработка мощных передатчиков спутниковых и тропосферных систем связи на многорезокаторных клистронах нового типа и исследование их поведения при передаче широкополосных частотно-модулированных колебаний.

Научная новизна.

• Проведены исследования прогнозов развития услуг связи, предоставляемых спутниковыми системами и определены потребительские «ниши» для новых спутниковых систем с различивши орбитами;

• разработаны принципы построения и определены тактико-технические требования к современной глобальной многофункциональной космической системе связи на основе использования низкоорбитальных и среднеорбитальных космических аппаратов (КА);

• разработаны принципы построения комбинированных спутниковых систем связи с использованием геостационарных и низкоорбитальных спутников;

• впервые в отечественной и мировой практике на основе теоретических и экспериментальных исследований созданы уникальные наземные узлы спутниковой цифровой связиразработаны методы построения помехоустойчивых спутниковых систем с использованием традиционных и новых методов повышения помехозащищенности;

• впервые проведен анализ распределения скоростей передачи в прямых каналах сети Internet и предложена оптимальная скорость передачи для геостационарных спутниковых систем связи,.

• разработаны принципы построения высоконадежных стационарных опорных сетей на основе использования тропосферных и радиорелейных линий;

• проведены теоретические и практические исследования схем сложения колебаний СВЧ диапазона. Предложенные схемы, защищенные авторским свидетельством, позволили впервые получить в заданном диапазоне волн мощности им-пульсно-модулированных и частотно-модулированных передатчиков, до десяти и более раз превышающие возможности одного электровакуумного или твердотельного СВЧ прибора. Теоретически определен предел возможности схем сложения мощностей усилительных приборов с мальм коэффициентом усиления;

РОССИЙСКАЯ.

ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА проанализированы эффекты неустойчивости в мощных широкополосных усилительных клистронах и определены меры борьбы с этими эффектами.

Практическое значение.

Результаты прогнозирования развития спутниковой связи были использованы при обосновании выбора технико-экономических характеристик и построении российской низкои среднеорбитальной многофункциональной космической телекоммуникационной системы «Ростелесат» ;

Разработаны принципы построения и определены технические параметры спутникового и земного сегментов широкополосной многофункциональной космической телекоммуникационной системы (МКТС) «Ростелесат». Предложения по использованию полос частот для МКТС послужили основой для принятия Решения ГКРЧ РФ по выделению этих частот для реализации системысозданы уникальные приемопередающие центры Единой Системы Спутниковой Связипостроено два крупных береговых центра системы Inmarsat, создан ряд других объектов спутниковой связи в интересах народного хозяйства и силовых ведомств страны, результаты разработки принципов передачи высокоскоростной информации в сети Internet, доложенные на Международной конференции «Спутниковая связь» в 1996 г., были использованы при создании первой в мире американской геостационарной спутниковой системы DirecPCпредложенная комбинация различных методов повышения помехозащищенности была практически использована при построении Единой Системы Спутниковой Связи 2-го поколениябыла построена сопряженная с ТФоП тропосферная опорная сеть связи «Барс» в России, на Украине, в Белоруссии и в странах Восточной Европы. Сеть обеспечивала передачу телефонных сигналов, факсимильных сообщений и передачу данных в многоканальном режимепредложенные схемы сложения колебаний СВЧ были использованы и продолжают широко использоваться при построении трактов передающих и приемных устройств радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи;

10 I.

• осуществлена разработка и налажен серийный выпуск широкополосных РРЛ с фазовой импульсной модуляцией, в том числе, «УРЛ-24», «Р-404», «Радиан», 5Я62/63, «Р- 414» и ряда РРЛ с частотной модуляцией, в том числе, «Р-406», «Р-416». Так, например, станции типа «Р-404» выпускались более 30 лет и до сих пор находятся на вооружении в Российской армии. Выпуск станций типа «Р-404» был также налажен в Польше. Станции «Р-416» до настоящего времени используются в качестве средств резервирования кабельных линий ВСС;

• налажен серийный выпуск мощных усилительных СВЧ электровакуумных приборов (клистроны, ЛБВ) для широкополосных передающих устройств радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи.

• разработаны и серийно выпускаются тропосферные станции, в том числе, «Р-420», «Эшелон», «Р-417» .

Основные положения, выносимые на защиту;

• Разработка методики долгосрочного прогнозирования развития спутниковых систем связи и предоставляемых ими услуг.

• Разработка принципов построения низкоорбитальных и среднеорбитальных спутниковых систем высокоскоростной связи и определение их тактико-технических характеристик.

• Теоретические и практические основы построения Центральных наземных станций повышенной сложности для помехозащищенных цифровых и аналоговых спутниковых систем связи.

• Принципы построения широкополосных помехоустойчивых спутниковых систем связи, сочетающих различные методы повышения помехоустойчивости.

• Принципы построения высоконадежных широкополосных опорных сетей связи двойного применения с использованием тропосферных, радиорелейных и кабельных линий. ¦

• Структура построения комбинированных спутниковых систем связи.

• Теория расчета схем сложения широкополосных СВЧ колебаний, модулированных по частоте или амплитуде. Экспериментальные исследования схем сложения мощностей усилителей на лампах бегущей волны, многорезонаторных кпистронах и транзисторах, а также практика использования этих схем в устройствах и системах радиосвязи.

• Теоретический анализ эффектов неустойчивости в многорезонаторных клистронах и способы устранения этих эффектов.

• Внедрение в серийное производство изделий, разработанных на основе теоретических и экспериментальных исследований автора, а также создание систем спутниковой связи и сетей с использованием тропосферных и радиорелейных линий.

Личный вклад автора диссертация.

В диссертации обобщены результаты исследований построения широкополосных систем связи, выполненных автором. Совокупность этих результатов является значительным вкладом в ускорение научно-технического прогресса в области радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи и имеет большое народнохозяйственное и оборонное значение. При этом, автор диссертации являлся непосредственным исполнителем работ, либо научно-техническим руководителем проблемных НИР, либо Генеральным или Главным Конструктором ОКР. Автору принадлежит:

• постановка проблем, связанных с исследованиями прогнозов развития спутниковых систем связи и предоставляемых ими услуг,.

• разработка принципов построения многих спутниковых систем, тропосферных и радиорелейных сетей;

• проведение теоретического анализа построения комбинированных спутниковых систем связи;

• построение теоретических основ схем сложения колебаний, теории построения импульсных передатчиков связи, эффектов неустойчивости в клистронных усилителях;

• разработка ряда мощных передающих устройств с использованием сложения колебаний для радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи;

• обобщение результатов исследований и разработка предложений по их дальнейшему практическому использованию;

• организация и руководство испытаниями систем и средств на стадии НИОКР, руководство созданием систем и объектов связи, организация внедрения аппаратуры на заводах-изготовителях.

• издание книг, статей и научно-исследовательских отчетов по теме диссертации, подготовка докладов.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:

• Научно-технической конференции Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта им. акад. В. Н. Образцова, г. Ленинград, 1957 г.

• Научно-технической конференции Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта им. акад. В. Н. Образцова, г. Ленинград, 1959 г. i.

• Научно-практическом семинаре в американском Институте стратегических исследований, г. Вашингтон, 1991 г.

• Научно-технической конференции «Руссат-93» ,. г. Санкт-Петербург, 1993 г.

• Научно-технической конференции Международной академии информатизации, г. Москва, 1994 г.

• Международной конференции по спутниковой связи «ICSC-94», г. Москва, 1994 г.

• 1-ой международной конференции по телекоммуникациям «Russian Telecom-94», г. Санкт-Петербург, 1994 г,.

• Третьем Ежегодном Форуме Руководителей Электронной Индустрии, г. Москва, 1995 г.

• Второй международной конференции «Спутниковая связь», г. Москва, 1996 г.

• Форуме Международной Академии связи «MAC» 97″, г. Москва, 1997 г.

• Международной конференции «Направления развития и новые технологии подвижной связи в России и СНГ', г. Москва, 1997 г.

• Конференции Международной Академии связи, г. Мюнхен, Германия, 1997 г.

• Форуме «Мобильные телесистемы-98», г. Москва, 1998 г.

• Форуме Международной Академии связи «MAC» 98″, г. Москва, 1998 г.

• Третьей международной конференции «Спутниковая связь», г. Москва, 1998 г.

• Форуме Международной Академии связи 'MAC'99″, г. Москва, 1999 г.

Научно-технические аспекты проблем, связанных с созданием рассматриваемых устройств и систем связи, обсуждались на НТС Московского научноисследовательского радиотехнического института, НТС Министерства промышленности средств связи СССР, НТС Министерства обороны, НТС АО «Телеком». Результаты внедрения авторских работ рассматривались на заседаниях комиссий, в том числе государственных, по приемке НИОКР.

Большинство разработанных систем, средств и устройств внедрены в серийное производство и находятся на вооружении Минобороны РФ, используются в ВСС или в корпоративных сетях.

Публикация результатов разработок и исследований.

Основное содержание работы изложено в 86 научных трудах: 5 книгах, 39 статьях, 4 авторских свидетельствах, 38 научно-технических отчетах по НИОКР. На международных и российских научных конференциях было сделано 10 докладов:

Список опубликованных работ прилагается в конце научного доклада.

Многие работы, связанные с практическими исследованиями, а также с внедрением их результатов, осуществлялись научно-техническими коллективами под непосредственным руководством автора.

Структура диссертации.

Работа представлена в виде научного доклада, обобщающего результаты многолетних теоретических и экспериментальных исследований и разработок, а также опыт серийного внедрения и строительства систем и линий радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи.

По своей структуре, диссертация разделена на три основные раздела. Первый раздел охватывает вопросы построения систем и линий тропосферной и спутниковой связи для передачи широкополосных (высокоскоростных) сигналов. Второй раздел посвящен новейшим направлениям развития широкополосной спутниковой связи с использованием геостационарных, низкоорбитальных и среднеорбитальных систем с учетом прогнозов развития спутниковых систем и услуг связи, а также существующих технических и экономических возможностей их построения. В третьем разделе приведены результаты исследований построения широкополосных передающих устройств для тропосферной и спутниковой связи с использованием схем сложения колебаний, разработки и конструирования конкретных передатчиков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Проведено прогнозирование развития спутниковых систем на основе анализа общемировых тенденций развития рынка услуг связи и, в частности, услуг, предоставляемых спутниковыми системами. Это позволило сформулировать основные направления развития средств спутниковой связи в мире и в России и предложить способы использования действующих и разрабатываемых космических группировок для предоставления широкополосных услуг связи, включая абонентский доступ в Internet.

Определены основные принципы построения отечественной многофункциональной космической телекоммуникационной системы с глобальным охватом Земли. Обоснованы тактико-технические характеристики системы, включая структуру построения космической группировки, структуру построения земных средств (интегрированные региональные узлы, координирующие станции, стационарные и подвижные абонентские станции и др.). Определены основные технические параметры бортового оборудования космических аппаратов и всех классов наземных станций. Последующая разработка технических предложений, проведенная группой российских специализированных НИИ и КБ, подтвердила правильность выбора основных параметров системы.

Сформулирован системный подход к построения Центральных узлов Единой Системы Спутниковой Связи (ЕССС-1), рассчитаны и определены технические параметры входящих подсистем (антенно-фидерные устройства, МШУ, приемная и передающая подсистемы, подсистема уплотнения и разуплотнения телефонных, телеграфных и каналов передачи данных, подсистема управления, отображения, резервирования, сопряжения с сетью общего пользования и выделенной сетью, обеспечения конфиденциальности связи, энергопитания и др.). Осуществлено проектирование объектов, их монтаж, проведение всех видов испытаний и сдача «под ключ». Оба ЦУСС были приняты в эксплуатацию и функционируют с 197 879 годов до настоящего времени. С использованием разработанной методологии построения крупных узлов спутниковой связи созданы береговые станции системы Inmarsat, сопряженные с сетью общего пользования. Станции были построены в гг. Одессе и Находке. Система из двух станций впервые в мире обеспечивала одновременную связь с тремя океанскими регионами: Атлантическим, Индийским и Тихим.

На основе минимизации затрат обоснован оптимальный выбор комбинации методов повышения помехозащищенности для реализации в Единой Спутниковой Системе Связи второго поколения (ЕССС-2).

Показано, что задача абонентского доступа как для радиотелефонной связи, так и для вхождения в компьютерные сети общего пользования, в спутниковых системах оптимально решается при использовании негеостационарных орбит — низкоорбитальных, среднеорбитальных и среднеэллиптических. Впервые с использованием тропосферных и радиорелейных линий была разработаны принципы построения опорных сетей связи. На основе этой модели была построена и сдана в эксплуатацию широкополосная опорная сеть связи двойного назначения с высокой устойчивостью и надежностью связи — 'Заре", по своим показателям не имеющая аналогов в мире.

Разработана теория построения различных схем сложения СВЧ широкополосных сигналов применительно к передающим и приемным устройствам радиорелейных, тропосферных и спутниковых линий связи, позволяющая реализовать сложение мощностей дискретных электровакуумных и полупроводниковых приборов, обеспечить повышение надежности радиопередающих и приемных устройств, упростить и удешевить эксплуатационное обслуживание передающих и приемных устройств, при необходимости обеспечивать сложение неравных мощностей. Построение коаксиальных, волноводных и микрополосковых трактов с учетом предложенных схем сложения было реализовано на практике в целом ряде серийно выпускаемых радиорелейных и тропосферных станций, а также при построении передающих устройств для спутниковых линий связи «Молния-2», для пунктов контроля и управления спутниками, при построении Центральных узлов спутниковой связи в Единой Системе Спутниковой Связи и широко используется в современных разработках.

Теоретически проанализированы эффекты неустойчивости в мощных широкополосных усилительных клистронах, предложены и реализованы рекомендации борьбы с этими эффектами.

• В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по построению широкополосных передатчиков непрерывной мощности с частотной модуляцией для линий радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи. Для выходных каскадов ряда передающих устройств тропосферной и спутниковой связи был обоснован выбор технических параметров мощных ламп бегущей волны и многорезонаторных клистронов с учетом специфики их использования в линиях связи. Несколько типов радиорелейных и тропосферных станций связи выпускались в течение десятков лег рядом заводов с радиотехническим профилем (НПО «Электроприбор», НПО 'Электроаппарат", НПО «Искра», «Днепропетровский машиностроительный завод» и др.), а сами станции до настоящего времени находятся в эксплуатации в различных сетях связи Российской Федерации.

• Теоретические и экспериментальные результаты исследований по созданию широкополосных устройств и систем радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи опубликованы в открытой печати или доложены на международных и российских конференциях. Часть работ защищена авторскими свидетельствами.