Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про спутниковые системы связи, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое спутниковые системы связи, спутниковая связь, спутниковый интернет , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов.
спутниковая связь — один из видов космической радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников землив качестве ретрансляторов. Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными.
Спутниковая связь является развитием традиционной радиорелейной связи путем вынесения ретранслятора на очень большую высоту (от десятков до сотен тысяч км ). Так как зона его видимости в этом случае — почти половина Земного шара, то необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает — в большинстве случаев достаточно и одного.
Системы спутниковой связи можно рассматривать как особый вид радиорелейных линий связи, если антенну ретранслятора подвесить на опору, высота которой равна высоте орбиты спутника. В такой системе связи значительно увеличивается зона прямой видимости поверхности Земли, просматриваемой со спутника и, соответственно, размеры земной территории, с которой виден спутник в один и тот же момент времени.
спутниковые системы связи представляют собой сети спутников, которые используются для передачи информации между различными точками на Земле. Они играют важную роль в обеспечении глобальной коммуникации, особенно в удаленных и труднодоступных регионах, где установка проводных сетей нереальна или невыгодна.
Вот некоторые общие сведения о спутниковых системах связи:
Спутники: Спутники являются ключевыми компонентами спутниковых систем связи. Они размещаются на орбитах вокруг Земли и выполняют роль ретрансляторов сигнала. Спутники могут быть геостационарными (находятся на высоте около 36 000 километров над экватором и остаются неподвижными относительно поверхности Земли) или находиться на других орбитах с разными характеристиками движения.
Земные станции: Земные станции являются устройствами, которые взаимодействуют с спутниками и обеспечивают подключение пользователей к спутниковым системам связи. Земные станции принимают и передают сигналы между спутниками и пользовательскими устройствами.
Частотные диапазоны: Спутниковые системы связи используют различные частотные диапазоны для передачи сигналов. Некоторые из них включают Ка-диапазон, Ку-диапазон, С-диапазон и Л-диапазон. Каждый диапазон имеет свои особенности и используется для определенных типов услуг и приложений.
Виды услуг: Спутниковые системы связи поддерживают различные виды услуг, включая голосовую связь, передачу данных, интернет-соединение, телевидение, видеоконференции, мониторинг и др. Это позволяет охватить разные потребности и области применения, от коммерческих и государственных организаций до частных пользователей.
Пользовательские устройства: Это устройства, которые используются конечными пользователями для отправки и приема данных через спутниковую систему связи. Они могут включать в себя сотовые телефоны, смартфоны, спутниковые терминалы, навигационные приемники и другие устройства, способные подключаться к спутниковым сигналам.
Высокая скорость и пропускная способность: Спутниковые системы связи позволяют передавать большие объемы данных с высокой скоростью. Это особенно важно для передачи видео, потокового вещания, обработки крупных объемов информации и других требовательных к пропускной способности приложений.
Радиооборудование спутниковой системы связи, расположенное на спутнике, называют космической радиостанцией, а радиооборудование, расположенное на Земле, называют наземной радиостанцией. Канал передачи радиосигнала от наземной станции на спутник называют восходящим, а канал передачи сигналов в обратном направлении - нисходящим. На спутниках, помимо ретрансляционной аппаратуры, размещают также источники электропитания (солнечные батареи). Кроме того, на спутниках имеется оборудование, обеспечивающее стабилизацию положения спутников на орбите и ориентирование его в пространстве (антенны ретранслятора направляют в сторону Земли, солнечные батареи - в сторону Солнца).
Характеристики спутниковых систем связи в значительной степени зависят от параметров орбиты спутника. Орбита спутника - это траектория движения спутника в пространстве.
Физическое тело выходит на круговую орбиту вокруг Земли и становится ее спутником, если ему сообщить первую космическую скорость. В этом случае центростремительная сила, равная силе притяжения спутника Землей, уравновешивается центростремительной силой, определяемой линейной скоростью спутника v и расстоянием между центрами масс Земли и спутника, равного R+h, где R - радиус Земли, h - высота спутника над поверхностью Земли. Без учета других факторов, влияющих на поведение спутника на орбите, уравнение состояния динамического равновесия спутника имеет вид:
(8.2)
где m - масса спутника; M - масса Земли, равная М = 5,98*1024 килограмм массы; γ - гравитационная постоянная, равная γ=6,67*10-11м³/кгс²; R - средний радиус Земли, равный R=6371 км.
Для высот, значительно меньших радиуса Земли (h<
mg ∼ mv²/R, (8.3)
где g = γM/R² ∼ 9,81 м/с² - ускорение свободного падения у поверхности Земли.
Скорость, необходимая для того, чтобы движущееся тело превратилось в спутника Земли, определяется из соотношения (8.2):
(8.4)
Первая космическая скорость у поверхности Земли (h ∼ 0), согласно (8.3), (8.4) равна
км/с. (8.5)
Период обращения спутника вокруг Земли с учетом выражения (8.4) определяется как
(8.6)
Графики зависимости линейной скорости спутника на круговой орбите и периода обращения спутника вокруг Земли от высоты орбиты над поверхностью Земли приведены на рисунке 8.6. Более точные формулы движения спутника учитывают влияние других факторов (отличие формы Земли от шарообразной, притяжение Луны, Солнца и других небесных тел и т.д.).
Рис. 8.6 Зависимость периода обращения спутника вокруг Земли от высоты орбиты
Если спутнику сообщают скорость большую, чем первая космическая, то он будет двигаться по эллиптической орбите. Скорость спутника при движении по эллиптической орбите непрерывно изменяется от наименьшего значения в точке максимального удаления от Земли (апогей) до максимального значения в точке наибольшего сближения с Землей (перигей).
Орбиты могут проходить в любом направлении вокруг земного шара, но плоскость орбиты будет проходить через центр Земли. Орбиты могут быть классифицированы по различным признакам.
Орбиты различают по взаимному расположению плоскости орбиты спутника и плоскости земного экватора. Если плоскость орбиты спутника совпадает с плоскостью экватора Земли, то орбиту спутника называют экваториальной. Орбиту называют полярной, если плоскость орбиты спутника проходит через полюса Земли. Орбиту называют наклонной при других взаимных расположениях плоскости орбиты спутника и плоскости земного экватора.
Орбиты могут быть круговыми с центром окружности, расположенным в центре Земли, или эллиптическими, при этом центр Земли находится в одном из фокусов эллипса. Кроме того, орбиты различаются также по высоте над поверхностью Земли.
Уникальные свойства имеет спутник, расположенный на экваториальной орбите, на высоте около 36 тысяч километров от поверхности Земли. Период обращения спутника на такой высоте совпадает с периодом вращения Земли вокруг своей оси. Если на такую орбиту запустить спутник в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли, то такой спутник будет казаться неподвижным относительно поверхности Земли. Спутник на такой орбите называют геостационарным.
Для построения спутниковых систем связи используют, в основном, три разновидности орбит: геостационарную орбиту, высокую эллиптическую орбиту и низко-высотную орбиту. Примерные схемы этих орбит приведены на рисунке 8.7.
Рис. 8.7 Орбиты спутников Земли: 1 - геостационарная; 2 - высокая эллиптическая; 3 - низко-высотная
Участок земной поверхности, на котором могут быть расположены наземные станции спутниковой связи, называется зоной обслуживания. Характеристики системы связи определяются положением спутника на орбите. Одним из важных параметров спутниковой связи является угол возвышения спутника для земного наблюдателя - это угол между направлением на спутник и касательной к окружности в точке расположения земной станции.
Схема взаимного расположения Земли и спутника представлена на рисунке 8.8.
Рис. 8.8 Взаимное расположение Земли и спутника
В точке А расположена земная станция. Если точка А находится на касательной АВ к окружности, то для наземной станции спутник виден на линии горизонта. Угол возвышения спутника в данном случае равен нулю, а зона обслуживания таким спутником достигает максимального значения. Однако при нулевых углах возвышения между антеннами наземных и космических станций могут находиться деревья, здания, неровности рельефа местности и т.д., ограничивающие пределы прямой видимости. Кроме того, при уменьшении угла возвышения сигналы получают большее ослабление, так как проходят в атмосфере увеличенные расстояния. Поэтому реальную зону обслуживания определяют минимально допустимым углом возвышения спутника, обычно не менее 5°.
Существенной особенностью спутниковой связи является задержка распространения сигналов, вызванная прохождением довольно больших расстояний. Эта задержка изменяется от минимальной величины, когда спутник находится в зените, до максимальной величины, когда спутник находится на линии горизонта. Для треугольника АВО, приведенного на рисунке 8.8, справедливо соотношение:
sin(∠OAB)/OB=sin(∠AOB)/AB (8.7)
Учитывая, что угол ∠OAB=∠AOD+∠DAB, а угол ∠OAB=π/2 (AD - касательная к окружности в точке А) и, обозначив отрезки: АВ - расстояние от спутника до земной станции (|AB| = d), BC - минимальное расстояние от спутника до земной поверхности (|BC| = h, |OB| = R+h), после несложных преобразований получим:
cos(∠DAB)/(R+h)=sin(∠AOB)/d (8.8)
Из выражения (8.8) несложно выразить расстояние от спутника до любой наземной станции d через высоту орбиты h, угол возвышения ∠DAB и угол охвата земной поверхности ∠AOD. Под углом охвата земной поверхности ∠AOD понимают телесный угол, в пределах которого часть поверхности с наземными станциями спутниковой связи видна из центра Земли.
При минимальном угле возвышения ∠AOD=Θ время tЗ задержки распространения сигнала до спутника и обратно изменяется в пределах:
(8.9)
Коэффициент 2 отражает задержку распространения сигнала на восходящем и нисходящем участках трассы.
Геостационарный спутник находится на большой высоте, с которой видно более четверти поверхности земного шара. Это является одним из достоинств геостационарной орбиты. Так как геостационарный спутник кажется неподвижным для земного наблюдателя, то упрощается наведение антенн наземных станций (не требуется слежения за положением спутника на орбите). Но большая высота орбиты имеет и недостатки: задержка распространения сигнала составляет около 1/4 секунды, сигнал получает значительное ослабление на таких протяженных трассах. Кроме того, в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту, а в приполярных областях и вовсе не виден. На геостационарной орбите находится несколько сотен спутников, обслуживающих разные регионы Земли, в том числе и отечественные спутники «Горизонт», «Экран».
Для обслуживания территорий в северных широтах используют спутники на высокой эллиптической орбите с большим углом наклонения. В частности, отечественные спутники «Молния» имеют эллиптическую орбиту с высотой апогея над северным полушарием порядка 40 тысяч километров и перигея около 500 километров. Наклонение плоскости орбиты к плоскости земного экватора составляет 63° и период обращения 12 часов. Движение спутника в области апогея замедляется, и сеансы радиосвязи возможны в течение 6…8 часов. Данный тип спутников также позволяет обслуживать большие территории. Но недостатком их использования является необходимость слежения антенных систем за медленно дрейфующими спутниками и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий.
Низкоорбитальные спутники запускаются на круговые орбиты с высотой порядка 500…1500 километров и большим углом наклонения орбиты (полярные и околополярные орбиты). Запуск легких спутников связи осуществляют с помощью недорогих пусковых установок. В системах связи с низко-высотными спутниками времена задержки распространения сигнала невелики, но значительно уменьшены и зоны охвата. Скорость перемещения спутника относительно поверхности Земли достаточно высока, и длительность сеанса связи от восхода спутника до его захода не превышает десятки минут. Поэтому для обеспечения связи на больших территориях на низко-высотных орбитах должны одновременно находиться десятки спутников.
В спутниковых системах связи (ССС) обычно поддерживается радиообмен между несколькими земными станциями. Земные станции подключены к источникам и потребителям программ теле- и радиовещания, к узлам коммутации сетей связи, например, междугородним телефонным станциям. Для примера рассмотрим вариант дуплексной связи между двумя земными станциями. Структурная схема такой ССС приведена на рисунке 8.9.
Сигнал U1, предназначенный для передачи в системе связи, поступает на передатчик Пд1 первой земной станции. В передатчике Пд1 осуществляются необходимые преобразования несущего колебания с частотой f1 (модуляция, усиление и т.д.) и сформированный передатчиком радиосигнал через разделительный фильтр РФ1 поступает на антенну земной станции 1, которая излучает его в сторону спутника-ретранслятора. Сигнал U2, поступающий для передачи в системе связи на вторую земную станцию, претерпевает подобные преобразования в аналогичных узлах и излучается в сторону космической станции с частотой, равной f2.
Радиосигналы с частотами f1 и f2, наведенные в антенне космической станции, через разделительный фильтр РФ0 поступают на приемники сигналов Пм01 и Пм02. Принимаемые сигналы получают в этих приемниках необходимую обработку (преобразование частоты, усиление, в некоторых системах связи предусмотрена демодуляция сигналов либо другие преобразования, предусмотренные алгоритмом обработки сигналов). Затем в передатчиках Пд01 и Пд02 сигналы переносятся на частоты сигналов нисходящих каналов и усиливаются до необходимого уровня. В результате этих преобразований сигнал с частотой f1 на выходе цепочки, состоящей из приемника Пм01 и передатчика Пд01, преобразуется в сигнал с частотой f3, а сигнал с частотой f3 на выходе цепочки Пм02 - Пд02 преобразуется в сигнал с частотой f4. Через разделительный фильтр РФ0 эти сигналы поступают на антенну космической станции и излучаются в сторону земных станций.
Рис. 8.9 Структурная схема спутниковой системы связи
На Земле сигналы с частотами f3 и f4 достигают антенн земных станций и поступают на входы соответствующих приемников. Приемник Пм2 настроен на частоту f3, соответственно, на выходе приемника будет восстановлен сигнал U1, подаваемый на вход системы связи со стороны земной станции 1. В свою очередь, на выходе приемника Пм1 будет восстановлен сигнал U2, передаваемый земной станцией 2.
Для систем спутниковой связи выделены полосы частот отдельно для восходящих и нисходящих каналов в диапазоне частот от 0,6…86 ГГц.
В 1945 году в статье «Внеземные ретрансляторы» («Extra-terrestrial Relays»), опубликованной в октябрьском номере журнала «Wireless World», английский ученый, писатель и изобретатель Артур Кларк предложил идею создания системы спутников связи на геостационарных орбитах, которые позволили бы организовать глобальную систему связи.
Впоследствии Кларк на вопрос, почему он не запатентовал изобретение (что было вполне возможно), отвечал, что не верил в возможность реализации подобной системы при своей жизни, а также считал, что подобная идея должна приносить пользу всему человечеству.
Первые исследования в области гражданской спутниковой связи в западных странах начали появляться во второй половине 50-х годов XX века. В США толчком к ним послужили возросшие потребности в трансатлантической телефонной связи.
В 1957 году в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли с радиоаппаратурой на борту.
12 августа 1960 года специалистами США был выведен на орбиту высотой 1500 км надувной шар . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Этот космический аппарат назывался «Эхо-1». Его металлизированная оболочка диаметром 30 м выполняла функции пассивного ретранслятора.
20 августа 1964 года 11 стран (СССР в их число не вошел) подписали соглашение о создании международной организации спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite organization) . В СССР к тому времени была собственная развитая программа спутниковой связи, увенчавшаяся 23 апреля 1965 года успешным запуском связного советского спутника Молния-1. В рамках программы Intelsat первый коммерческий спутник связи Early Bird (англ.) («ранняя пташка») , произведенный корпорацией COMSAT, был запущен 6 апреля 1965 года.
По сегодняшним меркам спутник Early Bird (INTELSAT I) обладал более чем скромными возможностями: обладая полосой пропускания 50 МГц, он мог обеспечивать до 240 телефонных каналов связи . В каждый конкретный момент времени связь могла осуществляться между земной станцией в США и только одной из трех земных станций в Европе (в Великобритании,Франции или Германии), которые были соединены между собой кабельными линиями связи .
В дальнейшем технология шагнула вперед, и спутник INTELSAT IX уже обладал полосой пропускания 3456 МГц .
В СССР долгое время спутниковая связь развивались только в интересах Министерства обороны СССР. В силу большей закрытости космической программы развитие спутниковой связи в социалистических странах шло иначе чем в западных странах. Развитие гражданской спутниковой связи началось соглашением между 9 странами социалистического блока о создании системы связи «Интерспутник» которое было подписано только в 1971 году
В первые годы исследований использовались пассивные спутниковые ретрансляторы (примеры — спутники «Эхо» и «Эхо-2»), которые представляли собой простой отражатель радиосигнала (часто — металлическая или полимерная сфера с металлическим напылением), не несущий на борту какого-либо приемопередающего оборудования. Такие спутники не получили распространения. Все современные спутники связи являются активными. Активные ретрансляторы оборудованы электронной аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции сигнала.
Спутниковые ретрансляторы могут быть нерегенеративными и регенеративными . Нерегенеративный спутник, приняв сигнал от одной земной станции, переносит его на другую частоту, усиливает и передает другой земной станции. Спутник может использовать несколько независимых каналов, осуществляющих эти операции, каждый из которых работает с определенной частью спектра (эти каналы обработки называются транспондерами ).
Регенеративный спутник производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому исправление ошибок производится дважды: на спутнике и на принимающей земной станции. Недостаток этого метода — сложность (а значит, гораздо более высокая цена спутника), а также увеличенная задержка передачи сигнала.
Орбиты, на которых размещаются спутниковые ретрансляторы, подразделяют на три класса :
Важной разновидностью экваториальной орбиты является геостационарная орбита, на которой спутник вращается с угловой скоростью, равной угловой скорости Земли, в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли. Очевидным преимуществом геостационарной орбиты является то, что приемник в зоне обслуживания «видит» спутник постоянно.
Однако геостационарная орбита одна, емкость ее, определяемая длиной окружности орбиты, поделенной на размеры спутников с учетом "интервалов безопасности" между ними, конечна. Поэтому все спутники, которые хотелось бы, вывести на нее невозможно . Другим ее недостатком является больша́я высота (35 786 км), а значит, и бо́льшая цена вывода спутника на орбиту. Кроме того, плотность потока мощности у земной поверхности в точке приема сигнала падает по направлению от экватора к полюсам из-за меньшего угла наклона вектора электромагнитной энергии к земной поверхности, а также из-за увеличивающегося пути прохождения сигнала через атмосферу и связанного с этим поглощением. Поэтому спутник на геостационарной орбите практически не способен обслуживать земные станции в приполярных областях.
Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трех спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.
Полярная орбита — предельный случай наклонной (с наклонением 90º).
При использовании наклонных орбит земные станции оборудуются системами слежения, осуществляющими наведение антенны на спутник . Станции, работающие со спутниками, находящимися на геостационарной орбите, как правило, также оборудуются такими системами, чтобы компенсировать отклонение от идеальной геостационарной орбиты. Исключение составляют небольшие антенны, используемые для приема спутникового телевидения: их диаграмма направленности достаточно широкая, поэтому они не чувствуют колебаний спутника возле идеальной точки.
Поскольку радиочастотный диапазон является ограниченным ресурсом, необходимо обеспечить возможность использования одних и тех же частот разными земными станциями. Сделать это можно двумя способами :
Типичная карта покрытия для спутника, находящегося на геостационарной орбите, включает следующие компоненты :
При этом все частоты (за исключением зарезервированных за глобальным лучом) используются многократно: в западной и восточной полусферах и в каждой из зон.
Выбор частоты для передачи данных от земной станции к спутнику и от спутника к земной станции не является произвольным. От частоты зависит, например, поглощение радиоволн в атмосфере, а также необходимые размеры передающей и приемной антенн. Частоты, на которых происходит передача от земной станции к спутнику, отличаются от частот, используемых для передачи от спутника к земной станции (как правило, первые выше).
Частоты, используемые в спутниковой связи, разделяют на диапазоны, обозначаемые буквами. К сожалению, в различной литературе точные границы диапазонов могут не совпадать. Ориентировочные значения даны в рекомендации ITU-R V.431-6 :
| Название диапазона | Частоты (согласно ITU-R V.431-6) | Применение |
|---|---|---|
| L | 1,5 ГГц | Подвижная спутниковая связь |
| S | 2,5 ГГц | Подвижная спутниковая связь |
| С | 4 ГГц, 6 ГГц | Фиксированная спутниковая связь |
| X | Для спутниковой связи рекомендациями ITU-R частоты не определены. Для приложений радиолокации указан диапазон 8-12 ГГц. | Фиксированная спутниковая связь |
| Ku | 11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц | Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание |
| K | 20 ГГц | Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание |
| Ka | 30 ГГц | Фиксированная спутниковая связь, межспутниковая связь |
Используются и более высокие частоты, но повышение их затруднено высоким поглощением радиоволн этих частот атмосферой. Ku-диапазон позволяет производить прием сравнительно небольшими антеннами, и поэтому используется вспутниковом телевидении (DVB), несмотря на то, что в этом диапазоне погодные условия оказывают существенное влияние на качество передачи.
Для передачи данных крупными пользователями (организациями) часто применяется C-диапазон. Это обеспечивает более высокое качество приема, но требует довольно больших размеров антенны.
Особенностью спутниковых систем связи является необходимость работать в условиях сравнительно низкого отношения сигнал/шум, вызванного несколькими факторами:
В связи с этим спутниковая связь плохо подходит для передачи аналоговых сигналов. Поэтому для передачи речи ее предварительно оцифровывают, используя, например, импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ) .
Для передачи цифровых данных по спутниковому каналу связи они должны быть сначала преобразованы в радиосигнал, занимающий определенный частотный диапазон. Для этого применяется модуляция (цифровая модуляция называется также манипуляцией). Наиболее распространенными видами цифровой модуляции для приложений спутниковой связи являются фазовая манипуляция и квадратурная амплитудная модуляция . Например, в системах стандарта DVB-S2 применяются QPSK, 8-PSK, 16-APSK и 32-APSK .
Модуляция производится на земной станции. Модулированный сигнал усиливается, переносится на нужную частоту и поступает на передающую антенну. Спутник принимает сигнал, усиливает, иногда регенерирует, переносит на другую частоту и с помощью определенной передающей антенны транслирует на землю.
Из-за низкой мощности сигнала возникает необходимость в системах исправления ошибок. Для этого применяются различные схемы помехоустойчивого кодирования, чаще всего различные варианты сверточных кодов (иногда в сочетании с кодами Рида-Соломона), а также турбо-коды и LDPC-коды .
Для обеспечения возможности одновременного использования спутникового ретранслятора несколькими пользователями применяют системы множественного доступа :
Кроме того, многим пользователям не требуется постоянный доступ к спутниковой связи. Этим пользователям канал связи (таймслот) выделяется по требованию с помощью технологии DAMA (Demand Assigned Multiple Access — множественный доступ с предоставлением каналов по требованию).
Изначально возникновение спутниковой связи было продиктовано потребностями передачи больших объемов информации. Первой системой спутниковой связи стала система Intelsat, затем были созданы аналогичные региональные организации (Eutelsat, Arabsat и другие). С течением времени доля передачи речи в общем объеме магистрального трафика постоянно снижалась, уступая место передаче данных.
С развитием волоконно-оптических сетей последние начали вытеснять спутниковую связь с рынка магистральной связи .
Системы VSAT (Very Small Aperture Terminal — терминал с очень маленькой апертурой) предоставляют услуги спутниковой связи клиентам (как правило, небольшим организациям), которым не требуется высокая пропускная способность канала. Скорость передачи данных для VSAT-терминала обычно не превышает 2048 кбит/с .
Слова «очень маленькая апертура» относятся к размерам антенн терминалов по сравнению с размерами более старых антенн магистральных систем связи. VSAT-терминалы, работающие в C-диапазоне, обычно используют антенны диаметром 1,8-2,4 м, в Ku-диапазоне — 0,75-1,8 м.
В системах VSAT применяется технология предоставления каналов по требованию.
Особенностью большинства систем подвижной спутниковой связи является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала. Для того, чтобы мощность сигнала, достигающего приемника, была достаточной, применяют одно из двух решений:
С операторами персональной спутниковой связи конкурируют операторы сотовой связи. Характерно, что как Globalstar, так и Iridium испытывали серьезные финансовые затруднения, которые довели Iridium до реорганизационного банкротства в 1999 г.
В декабре 2006 года был запущен экспериментальный геостационарный спутник Кику-8 с рекордно большой площадью антенны, который предполагается использовать для отработки технологии работы спутниковой связи с мобильными устройствами, не превышающими по размерам сотовые телефоны.
Спутниковая связь находит применение в организации «последней мили» (канала связи между интернет-провайдером и клиентом), особенно в местах со слабо развитой инфраструктурой
Особенностями такого вида доступа являются:
По типу исходящего канала различают:
И в том, и в другом случае данные от провайдера к клиенту передаются, как правило, в соответствии со стандартом цифрового вещания DVB, что позволяет использовать одно и то же оборудование как для доступа в сеть, так и для приема спутникового телевидения.
Существует два способа обмена данными через спутник:
Огромные расстояния между земными станциями и спутником являются причиной того, что отношение сигнал/шум на приемнике очень невелико (гораздо меньше, чем для большинства радиорелейных линий связи). Для того, чтобы в этих условиях обеспечить приемлемую вероятность ошибки, приходится использовать большиеантенны, малошумящие элементы и сложные помехоустойчивые коды. Особенно остро эта проблема стоит в системах подвижной связи, так как в них есть ограничение на размер антенны и, как правило, на мощность передатчика.
На качество спутниковой связи оказывают сильное влияние эффекты в тропосфере и ионосфере[25].
Степень поглощения сигнала атмосферой находится в зависимости от его частоты. Максимумы поглощения приходятся на 22,3 ГГц (резонанс водяных паров) и 60 ГГц (резонанс кислорода) . В целом, поглощение существенно сказывается на распространении сигналов с частотой выше 10 ГГц (то есть, начиная с Ku-диапазона). Кроме поглощения, при распространении радиоволн в атмосфере присутствует эффект замирания, причиной которому является разница в коэффициентах преломленияразличных слоев атмосферы.
Эффекты в ионосфере обусловлены флуктуациями распределения свободных электронов. К ионосферным эффектам, влияющим на распространение радиоволн, относят мерцание, поглощение, задержку распространения, дисперсию, изменение частоты, вращение плоскости поляризации Все эти эффекты ослабляются с увеличением частоты. Для сигналов с частотами, большими 10 ГГц, их влияние невелико.
| Эффект | 100 МГц | 300 МГц | 1 ГГц | 3 ГГц | 10 ГГц |
|---|---|---|---|---|---|
| Вращение плоскости поляризации | 30 оборотов | 3,3 оборота | 108° | 12° | 1,1° |
| Дополнительная задержка сигнала | 25 мс | 2,8 мс | 0,25 мс | 28 нс | 2,5 нс |
| Поглощение в ионосфере (на полюсе) | 5 дБ | 1,1 дБ | 0,05 дБ | 0,006 дБ | 0,0005 дБ |
| Поглощение в ионосфере (в средних широтах) | <1 дБ | 0,1 дБ | <0,01 дБ | <0,001 дБ | <0,0001 дБ |
Сигналы с относительно низкой частотой (L-диапазон и частично C-диапазон) страдают от ионосферного мерцания, возникающего из-за неоднородностей в ионосфере. Результатом этого мерцания является постоянно меняющаяся мощность сигнала.
Проблема задержки распространения сигнала так или иначе затрагивает все спутниковые системы связи. Наибольшей задержкой обладают системы, использующие спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите. В этом случае задержка, обусловленная конечностью скорости распространения радиоволн, составляет примерно 250 мс, а с учетом мультиплексирования, коммутации и задержек обработки сигнала общая задержка может составлять до 400 мс[29].
Задержка распространения наиболее нежелательна в приложениях реального времени, например, в телефонной связи. При этом, если время распространения сигнала по спутниковому каналу связи составляет 250 мс, разница во времени между репликами абонентов не может быть меньше 500 мс.
В некоторых системах (например, в системах VSAT, использующих топологию «звезда») сигнал дважды передается через спутниковый канал связи (от терминала к центральному узлу, и от центрального узла к другому терминалу). В этом случае общая задержка удваивается.
При приближении Солнца к оси спутника-наземная станция радиосигнал, принимаемый со спутника наземной станцией, искажается в результате интерференции.
После запуска первого спутника « Спутник-1 » Советским Союзом в октябре 1957 года США успешно запустили спутник «Эксплорер-1» в 1958 году. Первым коммерческим спутником связи был Телстар-1 , построенный Bell Labs и запущенный в июле 1962 года.
Идея геосинхронного спутника , который мог бы вращаться вокруг Земли над экватором и оставаться неподвижным, следуя за вращением Земли, была впервые предложена Германом Поточником в 1928 году и популяризирована писателем- фантастом Артуром Кларком в статье в Wireless World . в 1945 г. Первым спутником, успешно достигшим геостационарной орбиты, был Syncom3 , построенный компанией Hughes Aircraft для НАСА.и запущен 19 августа 1963 года. Последующие поколения спутников связи с большей пропускной способностью и улучшенными характеристиками были адаптированы для использования в телевидении, в военных целях и в телекоммуникационных целях. После изобретения Интернета и Всемирной паутины геостационарные спутники вызвали интерес как потенциальное средство обеспечения доступа в Интернет.
Важным фактором спутникового Интернета стало открытие диапазона K a для спутников. В декабре 1993 года компания Hughes Aircraft Co. подала в Федеральную комиссию по связи заявку на получение лицензии на запуск первого спутника K- диапазона Spaceway . В 1995 году Федеральная комиссия по связи (FCC) призвала к большему количеству спутниковых приложений в K - диапазоне , что привлекло заявки от 15 компаний. Среди них были EchoStar , Lockheed Martin , GE-Americom , Motorola и KaStar Satellite, которая позже стала WildBlue .
Среди видных претендентов на ранние этапы развития спутникового интернета был Teledesic , амбициозный и в конечном итоге проваленный проект, частично финансируемый Microsoft , который в конечном итоге стоил более 9 миллиардов долларов. Идея Teledesic заключалась в создании широкополосной спутниковой группировки из сотен низкоорбитальных спутников в частоте K a -диапазона, обеспечивающих недорогой доступ в Интернет со скоростью загрузки до 720 Мбит/с. В 2003 году от проекта отказались. Провал Teledesic вкупе с заявлением о банкротстве поставщиков спутниковой связи Iridium Communications Inc. и Globalstar ., ослабил энтузиазм рынка в отношении развития спутникового Интернета. Первый готовый к Интернету спутник для потребителей был запущен в сентябре 2003 г.
В 2004 году с запуском первого спутника с высокой пропускной способностью Anik F2 заработал класс спутников следующего поколения, обеспечивающих улучшенную пропускную способность и пропускную способность. Совсем недавно спутники с высокой пропускной способностью, такие как спутник ViaSat-1 от ViaSat в 2011 году и Jupiter от HughesNet в 2012 году, добились дальнейших улучшений, повысив скорость передачи данных в нисходящем направлении с 1–3 Мбит / с до 12–15 Мбит / с и выше. Услуги доступа в Интернет, привязанные к этим спутникам, ориентированы в основном на сельских жителей в качестве альтернативы доступу в Интернет через коммутируемое соединение, ADSL или классические ФСС .
В 2013 году первые четыре спутника группировки O3b были запущены на среднюю околоземную орбиту (MEO) , чтобы обеспечить доступ в Интернет для «остальных трех миллиардов» людей, не имевших стабильного доступа в Интернет в то время. В течение следующих шести лет к группировке присоединились еще 16 спутников, которые теперь принадлежат и управляются SES .
С 2014 года все больше компаний объявили о работе над доступом в Интернет с использованием группировок спутников на низкой околоземной орбите . SpaceX , OneWeb и Amazon планируют запустить более 1000 спутников каждый. Одна только OneWeb привлекла 1,7 миллиарда долларов к февралю 2017 года для проекта , а SpaceX привлекла более одного миллиарда только в первой половине 2019 года для своего сервиса под названием Starlink и ожидала более 30 миллиардов долларов дохода к 2025 году от своей спутниковой группировки. . Многие планируемые созвездия используют лазерную связь.для межспутниковых каналов для эффективного создания космической магистрали Интернета .
В сентябре 2017 года SES объявила о следующем поколении спутников и услуг O3b под названием O3b mPOWER . Созвездие из 11 спутников MEO обеспечит пропускную способность 10 терабит по всему миру через 30 000 точечных лучей для услуг широкополосного доступа в Интернет. Первые два спутника O3b mPOWER были запущены в декабре 2022 г., еще девять запланированы к развертыванию в 2023–2024 гг., а первоначальный ввод в эксплуатацию ожидается в третьем квартале 2023 г.
Статью про спутниковые системы 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 спутниковые системы связи, спутниковая связь, спутниковый интернет 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
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов
Термины: Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов