---

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЗС СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

Важнейшей особенностью спутниковых систем связи в экономическом отношении является независимость затрат на спутниковую линию связи от ее длины, т. е. от расстояния по земной поверхности между соединяемыми пунктами, поскольку это расстояние практически не влияет на длину трассы распространения ЗС – ИСЗ – ЗС и, следовательно, на параметры оборудования земной и космической станции. В отличие от этого стоимость наземных линий связи возрастает прямо пропорционально длине линии. Отсюда следует, что при некотором достаточно большом расстоянии l между связываемыми пунктами затраты на спутниковую и наземную линию станут одинаковыми. Это расстояние l = l _эф называется  экономически эффективным; применение спутниковой связи, как правило, экономически целесообразно при длине линии связи l > l _эф. Дополнительными соображениями в пользу создания спутниковой сети могут быть быстрота сооружения, а также локальный характер строительства ЗС; последнее особенно существенно при необходимости прокладывания линии связи в сложных географических условиях – через океаны, горы, труднопроходимые или малонаселенные районы. Следует учитывать и обратную сторону этого преимущества – при сооружении спутниковой линии все промежуточные пункты не получают связи, и для обеспечения их связью со временем может понадобиться сооружение дополнительных наземных линий или дополнительных ЗС. Экономическое преимущество ССС – возможность создания линий связи между странами, не имеющими общей границы, без аренды линий связи на территории третьих стран.

Экономическая эффективность применения систем спутниковой связи в общей сети связи страны увеличивается благодаря их способности к быстрой переброске каналов или групп каналов на другие направления, что позволяет с помощью спутниковых систем создавать гибкий резерв для различных участков сети без существенных дополнительных затрат. Поэтому наиболее полно оценить экономическую эффективность применения ССС можно, сравнивая затраты на создание комплексной сети связи заданной надежности и пропускной способности с применением спутниковой связи и без нее. Однако такая оценка является серьезной научной задачей; в большинстве случаев достаточно оценки по экономически эффективному расстоянию l _эф. Для систем спутниковой связи l _эф = 1 ... 5 тыс. км , для систем спутникового телевизионного вещания l _эф = 80 ... 400 км. Значение l _эф зависит от числа земных станций в сети, существования построенной ранее наземной сети связи, необходимой пропускной способности системы связи и т. п. По мере быстрого развития техники l_эф имеет тенденцию к уменьшению; например, для новых  телевизионных   распределительных   систем   «Экран»   и   «Москва» l _эф £ 50 км, т. е. установка ЗС этих систем дешевле, чем использование для передачи ТВ ствола РРЛ, даже на длине одного пролета РРЛ.

Из приведенных выше значений видно, что наиболее экономически эффективны системы спутникового телевизионного вещания и вообще распределительные системы для передачи однонаправленной информации – программ телевидения, звукового вещания, изображений газетных полос и т. п. Это объясняется тем, что для всей сети ЗС используется один общий тракт ИСЗ, стоимость которого раскладывается на всю эту сеть; поэтому ИСЗ может иметь большую мощность, что позволяет упростить и удешевить приемные ЗС распределительной сети. Это положение впервые было сформулировано и использовано в СССР.

Вопрос о выборе оптимальных с точки зрения экономики энергетических параметров участка ИСЗ – ЗС, а именно мощности бортового передатчика ИСЗ Р_б и диаметра антенны ЗС D_а, является первоочередной и важнейшей проблемой экономической оптимизации параметров любой системы спутниковой связи. Действительно стоимость ЗС в значительной степени определяется стоимостью сооружения антенны К_а, которая (стоимость) быстро возрастает с ростом D_а. На основе обобщения ряда данных приведена формула:

 

К_а = (0,07 ... 0,14)(D_а/10)³.                                       (4.1)

 

Увеличение диаметра антенны ЗС позволяет уменьшить мощность передатчика ИСЗ и, следовательно, уменьшить стоимость ИСЗ, которая зависит от мощности передатчика ИСЗ следующим образом:

 

,                                                           (4.2)

 

где n_ств – число стволов на ИСЗ; t – срок службы ИСЗ;

а₃ - а₇ – постоянные.

 

Решая уравнения (4.1), (4.2) совместно с уравнениями, определяющими необходимый энергетический баланс линии связи ИСЗ – Земля, можно получить оптимальные значения Р_б и D_а, соответствующие минимуму затрат на систему связи. Разумеется, результат будет зависеть от числа земных станций N_ст: чем больше их в системе, тем больше вклад стоимости ЗС в общую стоимость системы и тем целесообразнее уменьшать D_а ценой увеличения Р_б и затрат на ИСЗ.

На практике процедура выбора оптимальных значений Р_б и D_а осложняется рядом обстоятельств и взаимозависимостей. Так, чувствительность ЗС характеризуется не только диаметром антенны, но и шумовой температурой Т_ш приемного устройства, для чего, как известно, применяется специальный показатель – добротность станции, равный G/Т_шå (где G – усиление антенны ЗС, Т_шå – суммарная шумовая температура приемного тракта ЗС). Таким образом, уменьшая Т_шå, можно добиться необходимой добротности G/Т_шå при меньшем габаритном размере антенны D_а. Очевидно, имеется возможность подобрать оптимальное в экономическом смысле сочетание типа малошумящего входного устройства ЗС и D_а, причем этот оптимум взаимосвязан с оптимальным значением мощности бортового передатчика Р_б.

Размеры антенны ЗС связаны также с необходимой мощностью передатчиков ЗС, обеспечивающих необходимый энергетический потенциал на линии Земля – ИСЗ. Увеличение D_а позволяет уменьшить мощность передатчиков ЗС, а стоимость последних на многоствольных станциях с большой пропускной способностью играет заметную роль.

Как известно ЭИИМ это произведение мощности Р_б на усиление передающей антенны ИСЗ G_б:

 

ЭИИМ = Р_бG_б.                                                                    (4.3)

 

Очевидно, с уменьшением зоны обслуживания можно увеличить G_б и за счет этого уменьшить Р_б. Увеличение G_б (и связанная с этим необходимость увеличения размера антенны и точности наведения антенны ИСЗ) увеличивает стоимость ИСЗ. Тем не менее ради уменьшения размеров и стоимости антенны ЗС, уменьшения Р_б и по целому ряду других причин можно полагать целесообразным во всех случаях стремится к максимально возможному значению G_б, вплоть до разбиения всей зоны обслуживания на ряд отдельных зон, для каждого из которых формируется отдельный луч ИСЗ.

При выборе оптимальных параметров ССС следует учитывать действующие ограничения по создаваемой ИСЗ плотности потока мощности у поверхности Земли, ограничения, обусловленные точностью наведения антенн ИСЗ и антенн ЗС, и пр. Следует иметь в виду, что оптимальные энергетические параметры оказываются различными для ССС, работающих в различных полосах частот.

При реальном проектировании ССС приходится считаться, с различного рода технологическими ограничениями (максимальной массой выводимого на орбиту ИСЗ, мощностью выходного электронного прибора и т. п.), а также с имеющимися в распоряжении деталями и элементами системы, принятыми в стране или в системе стандартами и т. п.

Следует остановиться на зависимости экономических показателей ССС от пропускной способности. Приведенные затраты на один телефонный канал в ССС П₁ имеют тенденцию к быстрому снижению при росте пропускной способности ИСЗ n_сп (каналов), пока не достигается насыщение ИСЗ по полосе пропускания (см. рис. 4.1). Однако сравнение этих затрат с затратами на канал на наземных линиях показывает, что у наземных линий затраты также быстро снижаются с ростом пропускной способности (штриховые линии на рис. 4.1). Для наземных линий необходимо учитывать, что на каждом направлении связи между двумя станциями число каналов n_св меньше общего числа каналов в системе, равного согласно условию эквивалентности n_сп. При одинаковых по емкости станциях наземной сети

 

n_св/n_сп = 2/[N_ст(N_ст – 1)].                                                        (4.4)

 

Кроме того, наземные линии, проходящие по близким или совпадающим маршрутам, обычно объединяются (группируются) в один более мощный пучок.

В связи с этим необходимо учесть коэффициент группирования К_гр = n_лин/n_св. Так, если все станции расположены по кольцу и соединены кольцевой наземной магистралью (рис. 4.2), то К_гр = (N²_ст – 1)/8, n_лин = n_св(N_ст + +1)/4N_ст » n_сп/4, что и определяет условия сравнения спутниковых и наземных линий связи. Следует также обратить внимание, что показанная на рис. 4.1 величина L представляет собой среднюю длину линии связи между любой парой станций; среднее расстояние между соседними станциями меньше и для простейшей схемы (станции расположены и связаны по кольцу) составляет

 

l = 4L(N_ст – 1)/N ²_ст.                                                 (4.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, получаемые из рис. 4.1 минимальные экономические эквивалентные расстояния (L_экв = 10 тыс. км при N_ст = 20, L_экв = 6 тыс. км при N_ст = 10) следует разделить на величину N ²_ст/(4(N_ст – 1)), равную соответственно 5,25 и 2,78, и тогда экономически эквивалентное расстояние между соседними станциями l составит лишь 1,9 и 2,16 тыс. км. Разумеется, эти значения дают лишь приближенную оценку и меняются в зависимости от времени и условий создания системы, конкретного размещения земных станций. Эквивалентное расстояние становится меньше при создании ССС с более узкой зоной обслуживания, чем вся территория СНГ.

Рисунок 4.2 – Кольцевая наземная сеть, эквивалентная спутниковой системе связи

 

 

Влияние пропускной способности на экономическую эффективность ССС относилось к системам дуплексной (телефонной по преимуществу) связи. Как уже указывалось, циркулярные (распределительные) системы гораздо эффективнее экономически. Поэтому в системе обычно сочетают те и другие функции, повышая тем самым эффективность применения спутниковой связи.

При очень большом числе земных станций в распределительной сети, когда для этой сети оказывается выгодным создание ствола ИСЗ с большой выходной мощностью, параметры распределительной и дуплексной систем становятся резко различными. В этом случае с учетом соображений надежности и экономической оптимальности оказывается целесообразным создание таких систем с отдельными ИСЗ.