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 ли-
ний 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 по-
лезна студентам инфокоммуникационных и радиотехнических специ-
альностей, 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 ин-
формационной активности, проявляющейся в передаче больших по-
токов информации на значительные расстояния. Для доставки ин-
формации потребителям на обширной территории России и за ее
пределами создана Единая автоматизированная сеть связи, в кото-
рой сочетаются различные виды связи: проводная, радиорелейная,
тропосферная, спутниковая, волоконно-оптическая и другие. Сре-
ди указанных видов заметную роль играют спутниковые системы
связи (ССС).
Современные ССС отличаются надежностью и высоким качест-
вом связи, всё возрастающей пропускной способностью, возможнос-
тью обеспечения услугами связи значительного числа корреспонден-
тов, рассредоточенных на больших территориях. Стоимость достав-
ки информации на расстояния, превышающие 1500 км, посредством
искусственных спутников Земли (ИСЗ) не выше, чем по наземным
каналам связи. Важнейшей особенностью ССС является их функ-
циональная гибкость, позволяющая в короткие сроки перестроить
организационно-техническую структуру системы независимо от ви-
да земных станций и средств их передвижения.
В России и во всем мире спутниковая связь широко использует-
ся для обеспечения телефонно-телеграфной связи, передачи мульти-
медийных 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, разме-
щенные кластерами над Атлантическим, Индийским и Тихим океа-
нами, 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 ор-
ганизации систем спутниковой связи и терминологии, особенностей
распространения радиоволн в этих системах, антенн земных стан-
ций и бортовых антенн, а также методов расчёта их основных пара-
метров. Рассматриваются используемые на практике распределение
полос частот между службами и принципы организации зон терри-
ториального 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 «Тел-
стар», 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 об-
служивания 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 теоре-
тически может быть ещё увеличен.
Спутники на геостационарных орбитах используются для сис-
тем радио- и телевизионного вещания, для которых задержки сиг-
нала 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. Геостационар-
ные ИСЗ не могут также обеспечить требуемую по качеству связь в
высокоширотных районах земного шара и, следовательно, не гаран-
тируют полное глобальное обслуживание.
Однако отмеченные выше достоинства систем связи с геостаци-
онарными спутниками существенно превышают отмеченные недос-
татки, благодаря чему большинство спутниковых систем использу-
ют 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 ис-
пользования высоких рабочих углов антенн земных станций и уве-
личения числа ИСЗ в поле зрения наземного абонента. Благодаря
этому можно снизить энергетический ресурс радиолинии, компен-
сирующий потери на распространение сигнала.
Одним из ограничений применения негеостационарной орбита-
льной группировки является наличие радиационных поясов Ван
Алена из заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли
и снижающих время существования оборудования спутников. Пер-
вый из этих поясов радиации высокой интенсивности (10000 имп/с)
простирается на высоте 2000. . . 9000 км до 30◦ широты в обе сто-
роны 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) распола-
гают на орбите между первым и вторым поясами Ван Алена в диа-
пазоне высот от 5000 до 15000 км и создают на земной поверхности
меньшую зону обслуживания, чем геостационарные. Для глобаль-
ного охвата с однократным покрытием наиболее населенных райо-
нов 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 испо-
льзовать их для персональной радиотелефонной связи.
Средневысотные спутники лучше систем с более высокими ор-
битами 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 ме-
ньше, 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 плоскос-
ти экватора различают низкие экваториальные (i = 0), полярные
(i = 90◦) и наклонные орбиты.
Системы связи с использованием спутников на низких наклон-
ных и полярных орбитах применяются уже в течение более чем 30

Р а з д е л 1

лет для научно-исследовательских целей, дистанционного зондиро-
вания, навигации, метеорологических наблюдений, фотографирова-
ния поверхности Земли и других целей. В последние годы интен-
сивно 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 про-
должительности 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 заряд-
ки/разрядки в год, что существенно сокращает срок их службы.
Выбор диапазона высот орбит 500. . . 2000 км для низкоорби-
тальных систем не случаен, поскольку на орбитах высотой менее
500 км плотность атмосферы относительно высока.
Это вызыва-
ет повышенное сопротивление воздуха и деградацию орбиты с пос-
тепенным снижением высоты апогея. Уменьшение высоты орбиты
приводит также к необходимости увеличения частоты маневров по
высоте для сохранения параметров орбиты и, как следствие, к по-
вышенному расходу топлива.
Длительная работа электронной бортовой аппаратуры на орби-
тах 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 глоба-
льного охвата обслуживаемой территории. Для низкоорбитальной
системы глобальной связи с непрерывным обслуживанием количес-
тво ИСЗ в орбитальной группировке должно быть не менее 48. Пе-
риод обращения спутников на таких орбитах составляет обычно от
90 мин до 2 часов с максимальным временем пребывания в зоне ви-
димости 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 эллиптичес-
кой 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 «Мол-
ния» с апогеем 40000 км и перигеем 460 км может обеспечить сеансы
связи продолжительностью 8. . . 10 час.
Эти параметры соответствуют области максимально медленно-
го движения спутника в области вблизи апогея и реализуют систе-
му 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 повторяю-
щимся пересечениям спутником пояса повышенной радиации и при-
водит 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 обраще-
ния 24 часа.
Достоинствами и определёнными преимуществами ВЭО явля-
ются:
• зона видимости, включающая всё северное полушарие, в кото-
ром проживает большая часть человечества, а также его при-
полярные области;
• на ВЭО с одинаковыми параметрами и смещенной долготой апо-
гея можно разместить несколько десятков независимых сетей
связи;
• для земных станций в высоких широтах обеспечиваются высо-
кие углы подъёма антенн над горизонтом, что уменьшает внеш-
ние 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 срав-
нению со стационарной орбитой. Так, антенны земных станций дол-
жны 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 слабонаправлен-
ными 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 покры-
тия и уровня сигнала, необходима также коррекция положения ан-
тенны спутника в процессе сеанса связи.
По сравнению с низкими орбитами достоинствами ВЭО являет-
ся 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 спут-
никовых 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 спут-
никовой связи;
• угол места (угол над плоскостью горизонта) оси антенны земной
станции, находящейся на краю зоны обслуживания.
Чем выше высота орбиты, тем меньшее число спутников требу-
ется 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 космичес-
ких аппаратов (КА) в одной плоскости; γ — угол, отсчитывается от
центра Земли между направлениями на ИСЗ и границу зоны обслу-
живания, 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, ис-
пользующих различные типы орбит (GEO, MEO, LEO), приведены в
табл. 1.1. В этой таблице приведены также краткие характеристики
систем с использованием высоких эллиптических орбит.