Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про характеристики спутниковых систем связи, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое характеристики спутниковых систем связи , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов.
Данный обзор — попытка обобщить информацию о существующих и намеченных к внедрению спутниковых системах, ориентированных на предоставление услуг радиотелефонной связи и передачи данных. Весь материал, которого оказалось немало, был разделен на три части: орбиты и параметры, спутники и ракетоносители, наземные станции. В первой части определяются основные показатели орбит, дается классификация систем и подробно освещаются вопросы выбора параметров негеостационарных орбитальных группировок. Вторая часть посвящена космическим аппаратам (КА), бортовым ретрансляторам и средствам вывода КА на орбиту. В третьей части рассматриваются принципы организации связи, приводятся характеристики наземных станций и абонентского обрудования, а также технико-экономические показатели систем.
Известно, что эффективность любой системы связи в конечном счете определяется тем набором услуг, которые она предоставляет пользователю, и ее тарифами. Причем высокие технико-экономические показатели системы обуславливаются, в первую очередь, не технологией изготовления и дизайном наземных станций (хотя они, бесспорно, важны для пользователя), а общесистемными характеристиками — гарантированной пропускной способностью, используемым частотно-орбитальным ресурсом, структурой и параметрами космического и наземного сегментов.
Спутниковые системы связи являются современными и эффективными средствами передачи информации на глобальном уровне. Они обладают рядом характеристик, которые обеспечивают их надежность и функциональность. Ниже перечислены основные характеристики спутниковых систем связи :
Глобальное охватывание: Спутниковые системы связи позволяют обеспечивать связь практически в любой точке на Земле. Благодаря размещению спутников в геостационарной орбите или в орбитах с наклоном, спутниковая связь становится доступной для пользователей в отдаленных и труднодоступных регионах.
Высокая скорость передачи данных: Спутниковые системы связи обеспечивают высокую скорость передачи данных, что позволяет передавать большие объемы информации в кратчайшие сроки. Это особенно важно для передачи видео, изображений высокого разрешения и других больших файлов.
Многоточечность: Спутниковые системы связи позволяют одновременно обслуживать множество пользователей из разных мест. Это значит, что множество пользователей может быть подключено к одному спутнику, и каждый из них может получать и передавать информацию независимо от других пользователей.
Высокая степень надежности: Спутниковые системы связи обладают высокой степенью надежности. Спутники расположены на значительной высоте в космосе, что уменьшает вероятность повреждения или вмешательства в систему. Кроме того, такие системы имеют резервные каналы и механизмы резервирования, которые обеспечивают непрерывность связи даже в случае отказа одного или нескольких спутников.
Мобильность: Спутниковые системы связи могут быть использованы в мобильных условиях, таких как на кораблях, самолетах или автомобилях. Это позволяет осуществлять связь и обмен информацией во время передвижения в любой точке планеты.
Широкий спектр услуг: Спутниковые системы связи поддерживают различные типы услуг, включая голосовую связь, передачу данных, интернет, телевидение, видеоконференции и др. Это делает их универсальными и применимыми в разных сферах, от коммерции и бизнеса до медицины и авиации.
Эти основные характеристики спутниковых систем связи делают их эффективными и востребованными в современном мире, обеспечивая широкие возможности для коммуникации и обмена информацией на международном уровне.
Спутниковая связь существенно отличается от других видов радиосвязи — радиорелейной, тропосферной, ионосферной, сотовой или транкинговой.
Так, в системах радиорелейной связи протяженность линии в значительной степени зависит от наличия прямой видимости между абонентами и типа трассы (открытая, полуоткрытая, закрытая). В системах загоризонтной связи расстояние между станциями определяется состоянием тропосферы или ионосферы, поскольку действие этих систем основано на эффекте рассеяния радиоволн на неоднородностях в тропосфере (ионосфере) или отражения от верхних слоев ионосферы.
Размеры зоны обслуживания сотовых и транкинговых систем зависят от высоты подъема антенны базовой станции. В системах спутниковой связи (ССС) основными показателями, определяющим размеры такой зоны, качество обслуживания и энергетику радиолиний, являются тип орбиты и ее характеристики.
Автор предлагает классификацию ССС, ориентированных на предоставление услуг радиотелефонной связи и передачи данных, в основу которой положены следующие признаки.
Тип используемых орбит. По этому признаку все ССС делятся на два класса — системы с космическими аппаратами (КА) на геостационарной орбите (GEO) и на негеостационарной орбите. В свою очередь, негеостационарные орбиты подразделяются на низкоорбитальные (LEO), средневысотные (MEO) и эллиптические (HEO). Кроме того, низкоорбитальные системы связи подразделяются по виду предоставляемых услуг на системы передачи данных на базе little LEO, радиотелефонные системы big LEO и системы широкополосной связи mega LEO (в литературе используется также обозначение Super LEO).
Принадлежность системы к службе. В соответствии с Регламентом радиосвязи различаются три основные службы — фиксированная спутниковая служба (ФСС), подвижная спутниковая служба (ПСС) и радиовещательная спутниковая служба (РСС).
Статус системы. Зависит от назначения системы, степени охвата обслуживаемой территории, размещения и принадлежности наземных станций. В зависимости от статуса ССС можно разделить на международные (глобальные и региональные), национальные и ведомственные (последние в данном обзоре не рассматриваются).
Таблица 1. Системы, использующие КА на GEO-, MEO- и LEO-орбитах |
|||
| Показатель | GEO | MEO | LEO |
| Высота орбиты, км | 36 000 | 5000-15 000 | 500-2000 |
| Количество КА в ОГ | 3 | 8-12 | 48-66 |
| Зона покрытия одного КА (угол радиовидимости 50), % от поверхности Земли | 34 | 25-28 | 3-7 |
| Время пребывания КА в зоне радиовидимости (в сутки) | 24 ч | 1,5-2 ч | 10-15 мин |
| Задержка при передаче речи, мс | |||
| Региональная связь | 500 | 80-130 | 20-70 |
| Глобальная связь | 600 | 250-400 | 170-300 |
| Время переключения, мин | |||
| с одного спутника на другой | Не требуется | 50 | 8-10 |
| из одного луча в другой | 10-15 | 5-6 | 1,5-2,0 |
| Относительный максимальный доплеровский сдвиг | 610-8 | 66 10-6 | 6(1,8-2,4) 10-5 |
| Угол радиовидимости КА на границе зоны обслуживания, 0 | 5 | 15-25 | 10-15 |
Большинство существующих ССС используют наиболее выгодную для размещения спутников геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной связи в глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие сдвига частоты, обусловленного доплеровским эффектом.
Геостационарные спутники, располагаясь на высоте примерно 36 тыс. км и двигаясь со скоростью вращения Земли, как бы "зависают" над определенной точкой земной поверхности, которая располагается на экваторе (так называемой подспутниковой точкой). В действительности положение геостационарного КА на орбите не является неизменным: он испытывает незначительный "дрейф" под воздействием ряда факторов, вызывающих деградацию орбиты. При этом изменение положения орбиты за год может достигать 0,920. Основными параметрами, определяющими угловой разнос между соседними КА, являются пространственная избирательность бортовых и наземных антенн, а также точность удержания КА на орбите.
Связь через геостационарный КА не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и наземной станции, а система из трех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной поверхности. Орбитальный ресурс современных геостационарных КА также достаточно высок и составляет около 15 лет (табл. 1).
Однако такие системы имеют ряд недостатков, главный из которых — задержка сигнала. Спутники на геостационарных орбитах оптимальны для систем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс (в каждом направлении) не сказываются на качественных характеристиках сигналов. Системы радиотелефонной связи более чувствительны к задержкам, а поскольку суммарная задержка в системах данного класса составляет около 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), даже современная техника эхоподавления не всегда позволяет обеспечить связь высокого качества. В случае "двойного скачка" (ретрансляции через наземную станцию-шлюз) задержка становится неприемлемой уже более чем для 20% пользователей.
Архитектура геостационарных систем ограничивает возможность повторного использования выделенных полос частот, а следовательно, их спектральную эффективность. Зона охвата геостационарных КА не включает в себя высокоширотные районы (выше 76,50 с.ш. и ю.ш.), т. е. действительно глобальное обслуживание не гарантируется. Следует также отметить, что геостационарные КА могут обеспечить услуги персональной связи лишь в том случае, если формируемые ими на поверхности Земли зоны обслуживания примерно одинаковы с зонами, образуемыми низкоорбитальными спутниками.
Бурное развитие спутниковой связи, особенно в последнее десятилетие, привело к тому, что на геостационарной орбите стало очень "тесно" и возникли проблемы с размещением новых КА. Дело в том, что в соответствии с существующими международными нормами орбитальный разнос между геостационарными КА должен составлять не менее 10. Это означает, что на орбите можно разместить не более 360 спутников. Что же касается сокращения углового разноса между точками стояния КА на орбите, то на современном уровне развития техники это невозможно из-за взаимных помех.
Спутники на средневысотных орбитах первыми начали разрабатывать компании, традиционно выпускающие геостационарные КА. Средневысотные cистемы обеспечивают более качественные характеристики обслуживания подвижных абонентов, чем геостационарные, поскольку в поле зрения абонента одновременно находится большое число КА. За счет этого появляется возможность увеличить минимальные углы видимости КА до 25—300.
Так, радиовидимость двух спутников в системе ICO обеспечивается в течение 95% суточного времени, причем хотя бы один из ее КА виден под углом более 300. А это, в свою очередь, позволяет снизить дополнительный энергетический запас радиолинии, необходимый для компенсации потерь на распространение в ближней зоне (при наличии в ней деревьев, зданий и других преград).
Рис. 1. Уровни радиации в зонах Ван-Аллена: GN - географический север; MN - магнитный север; R/Rз - относительное расстояние, где Rз (радиус Земли) = 6371 км, R - высота |
Однако при выборе местоположения негеостационарной орбитальной группировки (ОГ) необходимо учитывать природные ограничения — это пространственные пояса заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли, так называемые радиационные пояса Ван-Аллена (рис. 1). Первый устойчивый пояс высокой радиации начинается примерно на высоте 1,5 тыс. км и простирается до нескольких тысяч километров, его "размах" составляет примерно 300 по обе стороны от экватора. Второй пояс столь же высокой интенсивности (10 тыс. имп./с) располагается на высотах от 13 до 19 тыс. км, охватывая около 500 по обе стороны от экватора.
Трасса средневысотных спутников проходит между первым и вторым поясами Ван-Аллена, т. е. на высоте от 5 до 15 тыс. км. Зона обслуживания каждого КА существенно меньше, чем геостационарного, поэтому для глобального охвата с однократным покрытием наиболее населенных районов Земного шара и судоходных акваторий необходимо создать ОГ из 8—12 спутников. Суммарная задержка сигнала при связи через средневысотные спутники составляет не более 130 мс, что позволяет использовать их для радиотелефонной связи.
Таким образом, средневысотные спутники выигрывают у геостационарных по энергетическим показателям, но проигрывают им по продолжительности пребывания КА в зоне радиовидимости наземных станций (1,5—2 ч).
Что же касается орбитального ресурса средневысотных КА, то он лишь незначительно меньше, чем у геостационарных. Период обращения спутника вокруг Земли для средневысотных круговых орбит составляет около 6 ч (при высоте 10 350 км), из которых в тени Земли КА находится лишь несколько минут. Это позволяет значительно упростить технологические решения, используемые в бортовой системе электропитания, и, в конечном счете, довести срок службы КА до 12—15 лет.
Системы со средневысотными КА обеспечивают лучшие, чем GEO-КА, характеристики обслуживания абонентов благодаря следующим особенностям. Они имеют большие углы радиовидимости, в зоне радиовидимости находится большее число спутников, а задержка при проведении сеансов связи составляет максимум 130 мс.
Структура систем на средневысотных орбитах (ICO, Spaceway NGSO, "Ростелесат") различается незначительно. Во всех этих системах орбитальная группировка создается примерно на одной и той же высоте (10 352—10 355 км) со сходными параметрами орбит (см. табл. 1).
В зависимости от величины наклонения плоскости орбиты относительно плоскости экватора различают низкие экваториальные (наклонение 00), полярные (наклонение 900) и наклонные орбиты. Системы с низкими наклонными и полярными орбитами существуют уже около 30 лет и применяются в основном для научно-исследовательских целей, дистанционного зондирования, навигации, метеорологических наблюдений, фотографирования поверхности Земли. Для организации мобильной и персональной связи эти системы стали использоваться только в последние 5—7 лет. Сегодня наиболее интенсивно осваиваются низкие наклонные и полярные орбиты высотой 700—1500 км, а также экваториальные высотой 2 тыс. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . км.
Спутники на низких орбитах обладают значительными преимуществами перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА. Если период обращения спутника составляет 100 мин, то в среднем 30% времени он находится на теневой стороне Земли. Аккумуляторные бортовые батареи испытывают приблизительно 5 тыс. циклов зарядки/разрядки в год, вследствие чего срок их службы, как правило, не превышает 5—8 лет.
Выбор диапазона высот от 700 до 2 тыс. км для низкоорбитальных систем неслучаен.
С одной стороны, на орбитах высотой менее 700 км плотность атмосферы относительно высока, что вызывает колебания эксцентриситета и деградацию орбиты (постепенное снижение высоты апогея). Кроме того, уменьшение высоты орбиты приводит к увеличению числа штатных маневров для сохранения заданной орбиты, а следовательно, к повышению расхода топлива.
С другой стороны, на орбитах выше 1,5 тыс. км, где располагается первый радиационный пояс Ван-Аллена, длительная работа электронной бортовой аппаратуры практически невозможна, если не использовать специальных методов защиты от радиационного излучения. Применение же этих методов ведет к существенному усложнению бортовой аппаратуры и увеличению массы КА.
Однако чем меньше высота орбиты, тем меньше мгновенная зона обслуживания, а следовательно, для глобального охвата требуется значительно большее количество спутников. Если низкоорбитальная система должна обеспечить глобальную связь с непрерывным обслуживанием, то необходимо, чтобы в орбитальную группировку входило не менее 48 КА. Период обращения спутника на этих орбитах составляет от 90 мин до 2 ч, а максимальное время пребывания КА в зоне радиовидимости не превышает 10—15 мин (см. табл. 1).
Таблица 2. Типы эллиптических орбит и их основные параметры |
|||
| Тип орбиты | Высота апогея*, км | Период обращения, ч | Число витков в сутки |
| Borealis | 7840 | 3 | 8 |
| Archimedes | 28000 | 8 | 3 |
| "Молния" | 40000 | 12 | 2 |
| "Тундра" | 71000 | 24 | 1 |
| * Высота перигея для всех указанных типов орбит составляет 500 км | |||
Таблица 3. Крупнейшие орбитальные группировки международных организаций |
|||||
| Показатель | Arabsat* (1972, 21) | Еutelsat (1977, 47) | Inmarsat (1979, 79) | Intelsat (1964, 132) | Intersputnik (1971, 26) |
| Статус системы | Региональная | Региональная | Глобальная | Глобальная | Глобальная |
| Основной регион обслуживания | Арабские страны (от 170 з.д. до 600 в.д.) | Европа, Северная Африка | Н/п | Н/п | СНГ, Восточная Европа |
| Число КА на орбите (их тип) | 4 (серия Arabsat) | 5 (Еutelsat-1, -2, -3) | 8 (Inmarsat-2, -3) | 25 (Intelsat-5/5A, -6, -7/7A, -8/8A) | 11 ("Горизонт","Экспресс") |
| Точки стояния космических апаратов на геостационарной орбите Регион Атлантического океана (AOR) | 15,50 з.д., 15,80 з.д., 54,50 з.д. | 10 з.д., 180 з.д. 21,30 з.д. ,21,50 з.д. 24,50 з.д.,27,50 з.д., 29,50 з.д.,31,40 з.д.,34,50 з.д.,40,50 з.д., 500 з.д., 53 з.д., 55,5 з.д. | 30 з.д., 60 з.д. 230 з.д. 160 з.д. , 32,50 з.д., (заявленные точки) + 140 з.д ("Экспресс") | ||
| Регион Индийского океана (IOR) | 200 в.д., 260 в.д.,310 в.д., 31,50 в.д. | 7,10 в.д., 100 в.д., 130 в.д., 160 в.д., 21,50 в.д. и 480 в.д. (Sesat). | 470 в.д., 63,70 в.д. | 330 в.д., 570 в.д., 600 в.д.,, 62 в.д., 640 в.д., 660 в.д. | 170 в.д., 270 в.д.,, 64,50 в.д., 67,5 в.д., (заявленные точки) + 800 в.д ("Экспресс") |
| Азиатско-Тихоокеанский регион (APR) | 63,70 в.д., 64,50 в.д.. | 720 в.д., 1570 в.д., | 114,50 в.д., 153,50 | ||
| Регион Тихого океана | 157,20 в. д., 1780 в.д. | 1770 з.д., 1740 в.д., 1770 в.д., 1800 в.д. | |||
| Примечания. Н/п - неприменимо, * здесь и далее в скобках указаны год начала реализации проекта и число участвующих в нем стран. |
|||||
Основными параметрами, характеризующими тип эллиптической орбиты, являются период обращения спутника вокруг Земли и эксцентриситет (показатель эллиптичности орбиты). В настоящее время используются несколько типов эллиптических орбит с большим эксцентриситетом — Borealis, Archi-medes, "Молния", "Тундра" (табл. 2). Все указанные орбиты являются синхронными, т.е. спутник, выведенный на такую орбиту, вращается со скоростью Земли и имеет период обращения, кратный времени суток.
Для спутников на эллиптической орбите характерно то, что их скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее. Следовательно, КА будет находиться в зоне видимости определенного региона в течение более длительного времени, чем спутник, орбита которого является круговой.
Так, выведенный на орбиту КА "Молния" (апогей 40 тыс. км, перигей 460 км, наклонение 63,50) обеспечивает сеансы связи продолжительностью 8—10 ч, причем система всего из трех спутников поддерживает глобальную круглосуточную связь. Эллиптические орбиты с более низким апогеем, например Borealis (апогей 7840 км, перигей 520 км) или Archimedes (апогей 26 737 км, перигей 1000 км), предназначены для обеспечения региональной связи.
КА с более низким апогеем выигрывают у спутников на высокоэллиптических орбитах по энергетическим характеристикам, проигрывая им в продолжительности сеансов. Для обеспечения непрерывной круглосуточной связи с использованием синхронно-солнечных орбит Borealis потребуется не менее 8 КА (расположенных в двух орбитальных плоскостях по четыре спутника в каждой плоскости). Они позволят обслуживать абонентов при углах радиовидимости КА не менее 250.
Системы с КА на эллиптических орбитах также не лишены "природных" ограничений. Постоянство местоположения КА на эллиптической орбите обеспечивается только при двух значениях наклонения плоскости орбиты к экватору — 63,40 и 116,60. Это объясняется воздействием неоднородностей гравитационного поля Земли, из-за которого большая ось эллиптической орбиты испытывает вращательный момент, что приводит к колебаниям широты подспутниковой точки в апогее. Другой фактор, влияющий на выбор параметров эллиптических орбит, связан с необходимостью учитывать опасные воздействия радиационных поясов Ван-Аллена, которые неизбежно пересекает КА во время своего движения по орбите.
Таблица 4. ОГ международных и национальных ССС с КА на геостационарной орбите |
||
| Наименование системы (страна регистрации) | Точки стояния на геостационарной орбите | Основные регионы обслуживания |
| AСeS (Индонезия) | 80,50 в.д., 1180 в.д., 1230 в.д., 1350 в.д. | Индонезия, Таиланд, Филиппины |
| Amos (Израиль) | 40 з.д. | Израиль, Ближний Восток |
| AMSC (США) | 620 з.д., 1010 з.д., 1390 з.д. | Северная Америка, Канада |
| Artemis (ESA) | 16,20 в.д. | Европа |
| ApStar (Гонконг) | 1380 в.д. | Азия |
| Asiasat (Гонконг) | 100,50 в.д. 105,50 в.д. | Азия |
| AT&T Skynet (США) | 850 з.д., 890 з.д., 970 з.д., 123 з.д | США |
| Brasilsat (Бразилия) | 61 з.д., 650 з.д., 700 з.д. | Бразилия, Латинская Америка |
| Chinasat (Китай) | 980 в.д., 110,50 в.д., 115,50 в.д. | Китай |
| Comets (Япония) | 1210 в.д., 150,30 в.д. | Япония |
| CS (Япония) | 1320 в.д., 1360 в.д. | Япония |
| DFS (Германия) | 23,50 в.д., 28,30 в.д., 33,50 в.д. | Германия |
| GE Americon (США) | 810 з.д., 850 з.д., 1310 з.д., 1350 з.д., 1370 з.д. | США |
| GE Spacenet (США) | 690 з.д., 870 з.д., 930 з.д., 1010 з.д., 1030 з.д., 1050 з.д., 1250 з.д | США |
| Hughes (США) | 740 з.д., 910 з.д., 93,50 з.д., 990 з.д., 1250 з.д., 1330 з.д. | США |
| Insat (Индия) | 740 в.д., 82,90 в.д., 93,50 в.д. | Индия |
| Italsat (Италия) | 13,20 в.д. | Италия |
| JCSat (Япония) | 1280 в.д. 1500 в.д., 1540 в.д. | Япония, Юго-Восточная Азия |
| Koreasat (Южная Корея) | 1160 в.д. | Корея |
| Hispasat (Испания) | 300 з.д. | Испания и прилегающие страны |
| Morelos (Мексика) | 109,20 з.д., 1130 з.д., 116,80 з.д. | Мексика |
| MSAT (Канада) | 106,50 з.д. | Канада и Северная Америка |
| Nahuelsat (Аргентина) | 720 з.д., 760 з.д. | Латинская Америка |
| N-star (Япония) | 1320 в.д. | Япония, Юго-Восточная Азия |
| Optus (Австралия) | 1560 в.д., 1600 в.д., 1640 в.д. | Австралия, Новая Зеландия |
| Palapa (Индонезия ) | 1080 в.д., 1130 в.д., 1180 в.д | Индонезия и страны Юго-Восточной Азии |
| PanAmSat (Мексика, США) | 430 з.д., 450 з.д.,68,50 в.д. | США, Центральная и Латинская Америка, другие регионы мира |
| Orion (США) | 37,50 з.д., 470 з.д.,120 в.д., 126 0 в.д. | Европа, Северная Америка, Индийский и Азиатско-Тихоокеанский регионы |
| Telecom (Франция) | 50 з.д., 80 з.д.. 30 в.д. | Франция, Мадагаскар, Гвиана и др. |
| Telesat (Канада) | 71,80 з.д., 75,80 з.д.,1110 з.д., 114,90 з.д. | Канада |
| Thaicom (Таиланд) | 75,80 в.д. | Таиланд |
| Turksat (Турция) | 420 в.д. | Турция и прилегающие страны Европы и Азии |
| Zohren (Иран ) | 260 в.д., 350 в.д. | Иран |
| "Банкир" (Россия) | 9,50 з.д., 550 в.д., 910 в.д. | Россия и другие страны СНГ |
| "Марафон" (Россия) | 13,50 з.д., 400 в.д., 90,50 в.д., 145,50 в.д., 1600 в.д. | Россия и другие страны СНГ |
| "Горизонт"/"Экспресс" (Россия) | 140 з.д., 110 з.д., 400 в.д., 530 в.д., 800 в.д., 900 в.д., 96,50 в.д., 1030 в.д., 1400 в.д., 1450 в.д. | Россия и другие страны СНГ |
| "Ямал" (Россия) | 19,50 з.д., 750 в.д., 900 в.д | Россия и другие страны СНГ |
Следует отметить, что по сей день сохраняется деление на службы связи, введенное Регламентом Радиосвязи, однако в силу ряда причин (как технических, так и исторических) оно уже не соответствует реальной структуре современных ССС. Процесс персонализации (т. е. максимального приближения средств связи к конечному пользователю) привел к тому, что границы между традиционными службами ФСС и ПСС или ФСС и РСС постепенно начали стираться. Например, персональные наземные станции удаленных пользователей, работающие в Ku- или Ka-диапазонах, формально относятся к классу ФСС (работа в полосах частот, выделенных для ФСС), но по своему назначению и выполняемым функциям они ближе всего к ПСС. Поэтому следует отдельно рассматривать системы, предоставляющие услуги персональной и широкополосной связи.
Системы ФСС предназначены для обеспечения связи между стационарными пользователями. Первоначально они разворачивались исключительно для организации магистралей большой протяженности и региональной (зоновой) связи. Такие системы на базе терминалов типа VSAT используются в сетях электронной коммерции, обмена банковской информацией, оптовых баз, торговых складов и др. Кроме того, в системах ФСС все чаще применяется оборудование персональной связи и интерактивного обмена информацией (в том числе через Internet). Для систем ФСС выделены следующие диапазоны частот: C (4/6 ГГц), Ku (11/14 ГГц) и Ka (20/30 ГГц).
К разряду ФСС относят также связь по фидерным линиям, которые формируют высокоскоростные каналы между наземными станциями (центральными, сопряжения и др.). Эти каналы работают в тех же диапазонах частот.
Услуги ФСС предоставляют пять крупных международных организаций и около 50 региональных и национальных компаний (табл. 3 и 4). К наиболее значительным коммерческим системам фиксированной связи относятся Intelsat, Intersputnik, Eutelsat, Arabsat и AsiaSat.
Среди них бесспорным лидером является международная система Intelsat, орбитальная группировка которой охватывает четыре основных региона обслуживания — Атлантический (AOR), Индийский (IOR), Азиатско-Тихоокеанский (ATR) и Тихоокеанский (POR). За 30 лет существования системы Intelsat создано 8 поколений спутников, из которых каждое последующее существенно превосходит предыдущее.
В настоящее время услуги Intelsat обеспечивают спутники четырех последних поколений (серий Intelsat-5, -6, -7/7A, -8). Пропускная способность этих КА составляет от 12 до 35 тыс. телефонных каналов, т. е. через 25 спутников системы Intelsat передаются примерно 2/3 международного телефонного трафика. Наземный сегмент включает в себя около 800 крупных станций, размещенных в 170 странах мира.
Международная организация Intersputnik в настоящее время использует российский космический сегмент (он состоит из КА типа "Горизонт" и "Экспресс"), арендуя около 30 ретрансляторов на 8 КА. В I квартале 1999 г. должен быть запущен КА нового поколения (LMI — Lockheed Martin Intersputnik), что обеспечит обслуживание Евро-Азиатского региона (750 в.д.), Америки (830 з.д.), Евро-Африканского (30 в.д.) и Азиатско-Тихоокеанского (1300 в.д.) регионов (в скобках приведены точки стояния КА).
Серьезную конкуренцию системам Intelsat и Intersputnik составляют международные коммерческие спутниковые системы PanAmSat и Orion, которые обеспечивает непрерывное покрытие основных регионов Земного шара. К наиболее крупным региональным системам относятся Eutelsat (Европа и Северная Африка), Apstar, Asiasat, Optus, Palapa (Aзиатско-Тихоокенский регион) и Arabsat (Арабские страны).
Системы ПСС появились около 30 лет назад (первая глобальная система мобильной радиотелефонной связи и геостационарный КА Marisat разработаны компанией Comsat в середине 70-х гг.), т. е. значительно позднее, чем системы ФСС. Причиной тому были низкая энерговооруженность подвижных объектов и более сложные условия их эксплуатации (влияние рельефа местности, ограничения по размерам антенн и др.).
Обычные стационарные наземные станции обеспечивают устойчивую связь при рабочих углах радиовидимости даже 50, а надежную связь для подвижных абонентов можно гарантировать лишь при значительно более высоких значениях. Большие углы радиовидимости КА позволяют снизить энергетический запас радиолинии, предназначенный для компенсации потерь, которые обуславливаются замиранием при распространении радиоволн в ближней зоне со сложным рельефом местности.
Первоначально мобильные наземные станции разрабатывались как системы специального назначения (морские, воздушные, автомобильные и железнодорожные) и были ориентированы на ограниченное число пользователей. Мобильные ССС первого поколения строились с использованием геостационарных КА с прямыми (прозрачными) ретрансляторами и имели низкую пропускную способность. Для передачи информации применялись аналоговые методы модуляции.
Подсистемы ПСС создавались в основном для сетей, имеющих радиальную или радиально-узловую структуру с большими центральной и базовыми станциями, которые обеспечивали работу с подвижными наземными станциями. Потоки в сетях с предоставлением каналов по требованию были невелики, поэтому в них применялись преимущественно одно- или малоканальные наземные станции. Обычно такие сети предназначались для создания ведомственных и корпоративных сетей связи с удаленными и подвижными объектами (судами, самолетами, автомобилями и т. д.), для организации связи в государственных структурах, в районах бедствия и при чрезвычайных ситуациях.
Качественный скачок в развитии ПСС произошел не только в связи с внедрением цифровых методов передачи речи и данных (как это принято обычно считать), но и благодаря появлению первых проектов спутниковых систем на базе КА на негеостационарных орбитах (низких круговых и средневысотных). Орбиты таких спутников близки к поверхности Земли, что дает возможность использовать вместо традиционных наземных станций дешевые малогабаритные терминалы и небольшие антенны. Применение низко- и среднеорбитальных группировок не только позволяет решить проблему перегруженности геостационарных орбит, но и существенно расширяет сферу телекоммуникационных услуг спутниковых сетей, обеспечивая пользователей глобальной персональной связью с помощью терминала "телефонная трубка".
Сейчас в мире насчитывается более 30 национальных и международных (региональных и глобальных) проектов, использующих КА на низких орбитах. Наиболее известны Globalstar, Iridium, Orbcomm (США), а также российские "Гонец" и "Сигнал".
Однако переход на низкоорбитальные системы нельзя считать генеральной тенденцией развития мобильной спутниковой связи. Столь же важным фактором в эволюции соответствующих систем станет освоение средних высот. И здесь особо интересны планы развертывания в 2000 г. систем связи на средних (ICO) и эллиптических (Ellipso) орбитах. Правда, несмотря на все достоинства последних, традиционные системы, использующие КА на геостационарных орбитах, не собираются сдавать свои позиции, о чем говорят последние разработки, например для Inmarsat и Intelsat.
Отличительными особенностями систем ПСС второго поколения являются:
Регламентом радиосвязи для систем ПСС выделены диапазоны частот до 1 ГГц, а также полосы частот в диапазонах L (1,5/1,6 ГГц) и S (1,9/2,2 и 2,4/ 2,5 ГГц). В перспективе разработчики систем ПСС намерены использовать более высокочастотные диапазоны Ka (20/30 ГГц) и EHF (40—50 ГГц).
В настоящее время сохраняется деление систем ПСС по видам передаваемой информации на сети радиотелефонной связи (Inmarsat-A, -B и -M, AMSC, MSAT, Optus, AceS) и системы передачи данных (Inmarsat-C, Omnitracs, Euteltracs, Prodat).
Изо всех систем ПСС наиболее мощная орбитальная группировка принадлежит международной системе Inmarsat, которая охватывает четыре региона — Атлантический восточный (AOR-E), Атлантический западный (AOR-W), Индийский (IOR) и Тихоокеанский (POR). Каждый из них обслуживается одним действующим КА и имеет по 1—2 резервных спутника. Сеть Inmarsat обеспечивает покрытие практически всей поверхности Земли, за исключением приполярных районов.
На первых этапах создания Inmarsat связь организовывалась через арендуемые у других организаций спутники Маrisat, Marecs и Intelsat-5MSC. Сейчас орбитальная группировка Inmarsat состоит из шести спутников Inmarsat (четыре КА типа Inmarsat-2, два — типа Inmarsat-3) и нескольких спутников старого поколения (типа Маrisat и Intelsat-5MCS).
Определенную конкуренцию Inmar-sat составляют системы радиотелефонной связи AMSC и MSAT (предоставляют свои услуги в Северо-Американском регионе), ACeS и Optus (Азиатско-Тихоокеанский регион).
Особое место в системах передачи данных занимают сети на базе спутников, называемых little LEO, которые предназначены для передачи данных со скоростью от 1,2 до 9,6 кбит/с (табл. 5). Их отличительными особенностями являются используемый диапазон частот (до 1 ГГц) и легкие КА (50—250 кг). Кроме того, к бортовой аппаратуре little LEO не предъявляются жесткие требования по времени доставки сообщений.
Чтобы осуществить передачу данных, достаточно одного спутника с электронным "почтовым ящиком" на борту. С каждым следующим витком он будет появляться над новым районом Земного шара, обеспечивая глобальное покрытие. Однако качество такого обслуживания будет определяться количеством КА в системе: для передачи данных в режиме электронной почты необходимы от 6 до 48 КА.
Системы этого класса имеют следующие особенности:
Системы группы little LEO ориентированы на глобальный мониторинг перевозки грузов со сквозным контролем от пункта загрузки до пункта назначения. Они могут определять географические координаты подвижных объектов (долгота, широта, универсальное время, UTС), осуществлять сбор данных об окружающей среде, а также обеспечивать связь с подвижными объектами (судно, автомобиль, вагон, самолет), в том числе двусторонний обмен данными.
В настоящее время развернуты орбитальные группировки двух таких систем — Orbcomm (США) и "Гонец-Д1" (Россия).
Таблица 5. ОГ низкоорбитальных систем передачи данных (диапазон частот ниже 1 ГГц) |
|||||
| Наименование системы | Общее число КА | Число плоскостей | Число КА в одной плоскости | Высота орбиты, км | Наклонение, 0 |
| E-Sat | 6 | 2 | 3 | 893 | 99 |
| Faisat | 32 | 6 2 |
5 1 |
1000 | 66 (или 51) 83 |
| Ge-Leo | 24 | 4 | 6 | 800 | 98 |
| Gemnet | 38 | 4 1 |
8 6 |
1000 | 50 99,5 |
| Leo One | 48 | 8 | 6 | 950 | 50 |
| Orbcomm | 48 | ||||
| 1 3 1 1 |
8* 8 8 (2+6**) 8 (2+6**) |
825 825 750 775 |
0 45 70 108 |
||
| Starsys | 24 | 6 | 4 | 1000 | 53 |
| Vita | 3 | 3 | 1 | 667/800 | 88 |
| "Гонец-Д1" | 6 | 2 | 3 | 1500 | 82,5 |
| "Гонец" | 48 | 6 | 8 | 1500 | 82,5 |
| "Эликон-стир" | 7 | 7 | 1 | 1000 | 82,5 |
| Примечания. * Запуск запланирован на 1999 г., ** запуск после 2002 г. |
|||||
Радиовещательная спутниковая служба предназначена для приема телевизионных и радиовещательных программ и является главной службой систем непосредственного телевизионного вещания (НТВ), спутникового телевизионного вещания и спутникового непосредственного радиовещания.
В настоящее время все системы телерадиовещания строятся на базе спутников на геостационарной орбите. В этой области телекоммуникаций, где основное требование к системе — сплошное покрытие обслуживаемых территорий, преимущества ССС перед другими средствами связи проявляются в наибольшей степени.
Одним из важных направлений развития телерадиовещания является интерактивное телевидение, которое позволяет удовлетворить индивидуальные запросы пользователей путем трансляции по спутниковым каналам заказных телепрограмм, а также предоставления возможностей интерактивного обмена в процессе телепередач. В таком случае пользователь из пассивного потребителя вещательной информации превращается в активного участника программы.
Хотелось бы лишний раз подчеркнуть темпы развития ССС. Когда данная статья готовилась к печати, три российские компании (МТРК "Мир", "Демос" и "Классика") объявили о создании NetStar — новой спутниковой системы высокоскоростного доступа в Internet, базирующейся на спутниках IntelSat 604 (600 в. д.).
Еще одно перспективное направление — прямое спутниковое вещание на компьютеры (служба Direct PC), позволяющее передавать по радиоканалам телевизионные изображения со скоростью до 30 Мбит/с и информацию Internet со скоростью до 400 кбит/с. Более детальное рассмотрение систем и услуг, предоставляемых службой РСС, выходит за рамки настоящей статьи.
Таблица 6. Системы высокоскоростной передачи данных с КА на геостационарной орбите |
|||
| Наименование системы | Число КА | Орбитальные позиции* | Скорость передачи, кбит/с |
| Astrolink | 9 | 290 з.д., 960 з.д., 370в.д., 1140 в.д., 1680 в.д | Н/д |
| Cyberstar | 3 | 1100 з.д., 25,50 в.д., 105,50 в.д | 384-3088 |
| GE*Star | 9 | 1060 з.д., 820 з.д, 160 в.д , 380 в.д., 108 в.д | 384 |
| Millenium | 4 | 860 з.д., 880 з.д., 1030 з.д., 1050 з.д | 384-1500 |
| MoningStar | 4 | 69,50 з.д., 1480 з.д., 300 в.д., 107,40 в.д., | Н/д |
| Spaceway GEO | 8 | 1170 з.д., 690 з.д., 26,20 з.д., 990 в.д. | 384-6000 |
| VoiceSpan | 12 | (2) 930 з.д., (1) 540 з.д., (2) 420 в.д., (2) 10 з.д., (2) 920 в.д., (2) 1160 в.д. | 32-1500 |
| Примечания. Н/д - нет данных, * в скобках указано число КА. |
|||
Таблица 7. MEO- и LEO-системы радиотелефонной и широкополосной связи (диапазон частот выше 1 ГГц) |
|||||
| Наименование системы | Число КА | Высота, км | Наклонение, 0 | Статус системы | |
| Основные | Резервные | ||||
| ECCO | 22 35 |
2 7 |
2000 | 0 62 |
Региональная |
| Ellipso | 8 6 |
2 1 |
520/7840 8000 |
116,5 0 |
Региональная |
| Globalstar | 48 | 8 | 1414 | 52 | Глобальная |
| ICO | 10 | 2 | 10355 | 45 | Региональная |
| Iridium | 66 | 6 | 780 | 86 | Глобальная |
| Skybridge | 64 | Н/д | 1457 | 55 | Глобальная |
| Spaceway NGSO | 20 | Н/д | 10352 | 55 | Глобальная |
| Teledesic | 288 | 36 | 1400 | 98,2 | Глобальная |
| "Ростелесат-B" | 24 | Н/д | 10360 | 82 | Глобальная |
| "Ростелесат-H" | 70 | Н/д | 700 | 82 | Глобальная |
| "Сигнал" | 48 | Н/д | 1500 | 74 | Глобальная |
| Примечание. Н/д - нет данных |
|||||
Персональная и широкополосная связь обеспечивается многими ССС — как геостационарными (табл. 6), так и с КА на более близких орбитах (табл. 7).
Системы big LEO ориентированы на предоставление персональной радиотелефонной и пейджинговой связи в глобальном масштабе. Общей тенденцией развития таких систем является объединение в общую сеть радиотелефонных спутниковых и сотовых сетей различных стандартов (GSM, AMPS, CDMA и др.), а также предоставление максимально возможного набора услуг (передача данных, телексов, факсимильных коротких сообщений, определение местоположения и пр.).
Обслуживание абонентов этих сетей осуществляется в масштабе реального времени, что достигается за счет применения корректируемых орбитальных группировок из 48—66 спутников. Для связи с абонентами используются L- и S-диапазоны частот. Масса спутников составляет 300—700 кг. Реальная пропускная способность стволов КА, как правило, не превышает 1200 эквивалентных телефонных каналов на КА (пропускная способность эквивалентного телефонного канала — 2,4 кбит/с). К системам big LEO относятся сети Iridium и Globalstar.
Системы с КА на средневысотных орбитах (MEO) являются одним из основных конкурентов сетей класса big LEO. Они ориентированы на один и тот же рынок услуг — глобальную радиотелефонную и пейджинговую связь. Однако если для обеспечения глобальной связи в системах big LEO без межспутниковых линий требуются 150—210 наземных станций сопряжения (Globalstar), то в системах MEO достаточно 10—12 станций. Пропускная способность систем данного класса эквивалентна 3—4,5 тыс. телефонных каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с, что выше, чем в известных низкоорбитальных системах.
Пока реально не создано ни одной такой системы. Первый проект, который почти "готов к старту" (в наступившем году должен быть запущен первый спутник), — это ICO. За ним должны последовать SpaceWay и "Ростелесат".
Системы широкополосной связи, использующие LEO-, MEO- и GEO-орбиты, предназначены для передачи высококачественной речи, высокоскоростных потоков данных, мультимедийной информации, для доступа в Internet, а также предоставления других видов услуг, пока недоступных абонентам систем ПСС. Здесь тоже можно говорить лишь о проектах, ориентированных на начало века. Список возглавляют GEO- и MEO-системы сети SpaceWay, LEO-система Teledesic (см. табл. 5 и 6). За ними, вероятно, будут развертываться Skybrige (LEO) и Astrolink (GEO).
Многие аналитики считают, что главная услуга широкополосных сетей — обмен данными в интерактивном режиме. По их прогнозам, через 10—15 лет рынок средств широкополосной связи будет столь же масштабным, что и существующий рынок средств узкополосной связи. Более того, судя по анонсированным характеристикам намеченных к внедрению ССС, они смогут удовлетворить 20—30% потребностей этого рынка. Однако реально действующие ССС не обладают пропускной способностью, которая может обеспечить хотя бы минимальные потребности рынка.
Сегодня для систем широкополосной связи наиболее характерны два вида обслуживания — персональная связь и организация широкополосных магистралей в сетях различного назначения (в том числе транкинговых или сотовых). Первый тип услуг обеспечивает связь в режиме реального времени с предоставлением каналов по требованию (bandwidth-on-demand) и скоростью передачи информации до 2—10 Мбит/с.
Ко второму виду услуг относится передача высокоскоростных потоков информации (155,52 Мбит/с), характерных для сетей синхронной цифровой иерархии (SDN). Конечно, речь идет не о замене волоконно-оптических каналов, а лишь о расширении их возможностей для связи с удаленными пользователями или для разрешения проблемы "последней мили", особенно в труднодоступных районах. Высокоскоростную передачу данных предполагается реализовать в системах, использующих КА как на геостационарной орбите, так и на средневысотных (например, Spaceway) или низких орбитах (в частности, Teledesic, Skybridge), см. табл. 7.
Статью про характеристики спутниковых систем связи я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое характеристики спутниковых систем связи и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов
Термины: Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов