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E.jHerter • H. Rupp
Nachrichtenübertragung über Satelliten
Grundlagen und Systeme, Erdefunkstellen und Satelliten
Zweite, völlig neubearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 98 Abbildungen und 5 Tabellen
Nachricht^ntechnische Bibliothek der Techn. Hochschule Darmstadt
Inv.
-N UIO.OUR^
±2 Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York Tokyo 1983
Inhalt
1 Einführung 1
2 Die Grandlagen der Nachrichtensatellitentechnik 3
2.1 Satellitenbahnen und Bahneinschuß 3
2.1.1 Grundgesetze der Satellitenbewegung 3
2.1.2 Wichtige Bahnkurven für Nachrichtensatelliten 3
2.1.3 Einschuß in die geostationäre Bahn 4
2.2 Eigenschaften des Funkfeldes 6
2.2.1 Definition des Funkfeldes 6
2.2.2 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im freien Raum 6
2.2.3 Freiraum- und Funkfelddämpfungsmaß 8
2.2.4 Gewinne von Satellitenantennen 9
2.2.5 Frequenzbereiche und Orbitausnutzung 10
2.3 Grundbegriffe der Antennen 11
2.3.1 Einführung 11
2.3.2 Prinzipien für stark bündelnde Mikrowellenantennen 12 2.3.3 Richtcharakteristik scharf bündelnder Antennen 13
2.3.4 Mehrstrahlenantennen 15
2.3.5 Antennen mit Polarisations- und Frequenzmehrfachausnutzung 16
2.3.6 Hinweise für die Weiterarbeit 17
2.4 Bauelemente der Höchstfrequenztechnik 17
2.4.1 Wellenleiter 17
2.4.2 Einige passive Bauelemente 18
2.4.3 Hinweise auf aktive und nichtlineare Bauelemente 19
2.5 Grundlagen der verwendeten Modulationsverfahren 19
2.5.1 Einführung 19
2.5.2 Übertragung analoger Signale 19
2.5.3 Kenngrößen analoger Vielkanalsysteme bei FM-Übertragung 21
2.5.4 Übertragung digitaler Signale 22
2.6 Grundlagen wichtiger Codierungsverfahren 25
2.6.1 Übersicht 25
2.6.2 Digitalisierung analoger Signale 25
2.6.3 Digital Speech Interpolation (DSI) 26
2.6.4 Kanalcodierung 26
2.7 Die Satellitenübertragungsstrecke 27
2.7.1 Übersicht 27
2.7.2 Berechnung der Satellitenstrecke 28
2.7.3 Rauschbeiträge der Satellitenverbindung 31
2.7.4 Systemplanungsbeispiel: Digitale Einkanalübertragung 31
X Inhalt
2.8 Grundlagen der VielfachzugrifTsverfahren 34
2.8.1 Klassische VielfachzugrifTsverfahren 34
2.8.2 Weitere Koordinaten für VielfachzugrifTsverfahren 35 2.8.3 Betriebsarten der Kanäle im Vielfachzugriffssystem 36
2.9 Einfluß der Satellitenstrecke auf die Übertragung 37
2.9.1 Probleme der Fernsprechübertragung 37
2.9.2 Eigenschaften des Satelliten-Übertragungskanals 38
3 Nachrichtensatelliten und weltweites Netz 40
3.1 Die Anfange der Nachrichtensatellitentechnik 40
3.2 Das INTELSAT-Netz 40
3.3 Einfluß der Satelliten auf die Struktur der Fernmeldenetze 41
3.4 Aufgaben für Nachrichtensatellitensysteme 42
3.5 Übersicht über einige bestehende und geplante Systeme 43
3.5.1 Globale und regionale Systeme der UdSSR 43
3.5.2 Regionalsatellitensysteme 44
3.5.3 Seefunksatellitensysteme 44
3.5.4 Militärische Systeme 46
4 Die VielfachzugrifTsverfahren 48
4.1 VielfachzugrifT im Frequenzmultiplex (FDMA) 48
4.1.1 Mehrkanalträger 48
4.1.2 Einzelkanalträger 49
4.2 Vielfachzugriff im Zeitmultiplex (TDMA) 51
4.2.1 Aufbau eines TDMA-Systems 51
4.2.2 Weiterentwicklung 53
4.2.3 Beispiel eines zentral gesteuerten Systems: TDMA für TELECOM 1 .... 53 4.2.4 Beispiel eines dezentral gesteuerten Systems: TDMA-S3 ... 57
4.3 VielfachzugrifT im Codemultiplex (CDMA) 60
4.3.1 Einführung 60
4.3.2 Eigenschaften von pn-Folgen 60
4.3.3 Übertragung mit pn-modulierten Trägern im SSMA-System 61
4.3.4 Prinzip der Synchronisation im SSMA-System 63
4.3.5 Einige Probleme und Lösungswege bei der praktischen Realisierung
von SSMA-Systemen . 64
4.4 Gründe und Möglichkeiten für die Weiterentwicklung der Vielfachzugriffsverfahren 66
4.5 Kombinierte Verfahren 66
4.6 Zugriffsverfahren mit Paketvermittlung 67
4.7 TDMA mit Vermittlung im Satelliten (SS-TDMA) 68
4.8 VielfachzugrifT durch Strahlabtastung ("Scanning spot beam") 70
5 Die Erdefunkstelle 71
5.1 Übersicht 71
5.2 Aufbau typischer Erdefunkstellen 72
5.2.1 Große INTELSAT-Erdefunkstelle: Raisting 72
5.2.2 Militärische Erdefunkstelle mit 10-m-Spiegel 72
5.2.3 Transportable Erdefunkstelle mit 3,3-m-Spiegel 75
5.2.4 Kenngrößen von Erdefunkstellen 75
Inhalt XI
5.3 Die Antenne 75
5.3.1 Übersicht 75
5.3.2 Forderungen an Erdefunkstellenantennen 77
5.3.3 Richtcharakteristik und Rauschtemperatur 77
5.3.4 Antennennachführverfahren 81
5.3.5 Reflektoren 82
5.3.6 Antennenerregersysteme 84
5.3.7 Hohlleitermultiplexeinrichtungen . . . .' 87
5.3.8 Antennenkonstruktion und Nachführbarkeit 88
5.4 Der Empfangszug 90
5.4.1 Rauscharme Vorverstärker 90
5.4.2 Empfangsfrequenzumsetzung und ZF-Verstärkung 94
5.4.3 Demodulatoren 94
5.4.4 Nachführ-und Datenempfänger 95
5.5 Der Sendezug - 96
5.5.1 Modulatoren 96
5.5.2 Sender-ZF und Sendefrequenzumsetzung 96
5.5.3 Sendeleistungsverstärker 96
5.6 Betrieb von Erdefunkstellen 98
5.6.1 Bemannte und unbemannte Erdefunkstellen 98
5.6.2 Wichtige Messungen an Erdefunkstellen 100
5.6.3 Stromversorgung von Erdefunkstellen 100
6 Der Satellit 101
6.1 Übersicht 101
6.2 Aufbau typischer Nachrichtensatelliten 101
6.2.1 Unterschiede zu einer terrestrischen Richtfunkrelaisstelle 101 6.2.2 Spinstabilisierte und dreiachsenstabilisierte Satelliten 102
6.2.3 Modularer Aufbau und Buskonzept 105
6.2.4 Satellitenstruktur 108
6.2.5 Anpassung an die verwendete Rakete 109
6.2.6 Beispiele von Nachrichtensatelliten 109
6.3 Satellitenantennen 110
6.3.1 Übersicht 110
6.3.2 Antennen ohne oder mit nur geringer Bündelung 110
6.3.3 Entdrallte Antennen 112
6.3.4 Antennen für dreiachsenstabilisierte Satelliten und entdrallte Plattformen. . . 112
6.3.5 Strahlformung 113
6.3.6 Antennen mit Polarisations-und Frequenzmehrfachausnutzung 114
6.3.7 Entfaltbare Antennen 115
6.3.8 Randbedingungen für Satellitenantennen 116
6.4 Satellitentransponder 116
6.4.1 Anforderungen und Prinzipien 116
6.4.2 Durchschalteprinzipien 117
6.4.3 Auswirkungen der verwendeten Modulations- und ZugrifTsverfahren
auf die Transponderkonzeption . . 118
6.4.4 Empfangs- und Sendeverstärker 119
6.4.5 Eingangs- und Ausgangskanalweichenketten • 121
6.4.6 Der Intelsat-V-Transponder 121
6.5 Fernmessung, Fernsteuerung und Entfernungsmessung 123
6.6 Stromversorgung von Satelliten 125
6.6.1 Übersicht ' 125
6.6.2 Solarzellen. . .• 125
XII Inhalt
6.6.3 Solarzellenausleger 126
6.6.4 Batterien 127
6.6.5 Verteil- und Regelungssystem 127
6.7 Temperaturregelung 127
6.8 Bahn- und Lageregelung von Nachrichtensatelliten 128
6.8.1 Aufgabenstellung und Überblick 128
6.8.2 Störeinflüsse auf die Bahn und Lage des Satelliten 129 6.8.3 Lagefehler des Satelliten und daraus resultierende Fehler
der Antennenstrahlachse 130
6.8.4 Positionskorrektur des Satelliten 132
6.8.5 Lagestabilisierung 134
6.8.6 Das Positions- und Lageregelungssystem des Satelliten 137
7 Planungsgesichtspunkte für Satellitensysteme 140
7.1 Einführung 140
7.1.1 Aufgaben der Planung 140
7.1.2 Planungsschritte am Beispiel eines FDM-FM-FDMA-Systems 141
7.2 Frequenzbereiche 144
7.3 Gegenseitige Beeinflussung von verschiedenen Diensten in gleichen
Frequenzbändern . 146
7.4 Koordinierung von Erdefunkstellen und Richtfunkverbindungen . 148 7.5 Die geostationäre Umlaufbahn und ihre optimale Nutzung 150
7.5.1 Möglichkeiten zur Frequenzbandmehrfachausnutzung von Satellitensystemen
in der geostationären Umlaufbahn 150
7.5.2 Faktoren, die die effiziente Ausnutzung der geostationären Umlaufbahn
beeinflussen 152
7.5.3 Zukünftige Entwicklungen 155
7.6 Ausbreitungsprobleme 155
7.6.1 Galaktisches und kosmisches Rauschen 155
7.6.2 Ionosphärische Effekte 155
7.6.3 Troposphärische Effekte 157
7.6.4 Polarisationsentkopplung : 159
7.6.5 Mehrwegeausbreitung und Abschattung 160
8 Beispiele von Nachrichtensatellitensystemen 161
8.1 Kanadisches Regionalsystem 161
8.1.1 Das System 161
8.1.2 Die Satelliten < 162
8.1.3 Die Erdefunkstellen 163
8.1.4 Der Betrieb des Systems 163
8.2 Systeme für Fernseh- und Rundfunkdirektempfang von Satelliten 164
8.2.1 Übersicht 164
8.2.2 Festlegung der Versorgungsgebiete 165
8.2.3 Systemplanung 165
8.2.4 Empfangseinrichtungen 167
8.2.5 Fernsehrundfunksatelliten 170
8.2.6 Spezielle Übertragungsverfahren 171
8.3 Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS) 171
Inhalt XIII
9 Zukünftige Entwicklungen 173
9.1 Absehbare Entwicklungstrends 173
9.2 Geostationäre Plattformen 175
9.3 Satellitensysteme für mobilen Landfunk 176
9.4 Direktverbindungen zwischen Satelliten 177
Anhang. 179
Tabelle 1 Bezeichnungen für Satelliten-Frequenzbereiche 180
Tabelle 2 Satellitensysteme der UdSSR 181
Tabelle 3 Bestehende und geplante Regionalsatellitensysteme mit eigenen Satelliten . . 182
Tabelle 4 Militärische Fernmeldesatelliten der USA 183
Tabelle 5 Kenndaten der Satelliten ECS (ECS-F2), Telecom 1 und DFS 184
Literaturverzeichnis 185
Sach- und Abkürzungsverzeichnis . 209
