Тема 6. Спутниковые системы связи

Классификация систем спутниковой связи

Сети спутниковой связи обладают преимуществом перед другими системами связи: спутниковая связь не имеет ограничений по привязке к местности и охватывает местности, где построение других систем связи нерентабельно или невозможно: морские транспортные магистрали, незаселённые или молозаселенные территории (в частности, северные территории России), местах разрыва наземной инфраструктуры телекоммуникаций.

В зависимости от вида предоставляемых услуг сети спутниковой связи можно разделить на следующие классы:

- речевая (радиотелефонная) связь;

- пакетная передача данных;

- определение местоположения потребителей;

- телевещание.

Радиотелефонная связь использует протоколы цифровой передачи сообщений, удовлетворяющие международным стандартам на спутниковую связь. В частности, передача сообщений должна осуществляться в реальном масштабе времени, задержка сигнала не должна превышать 0,3 с, недопустимо прерывание сеанса связи. Обеспечение перечисленных требований формируется посредством: высокоточной системой ориентации спутников для удержания луча антенн в заданном направлении, достаточным для сплошного (непрерывного) покрытия зоны обслуживания количеством спутников в системе и количеством многолучевых антенных систем (работающих на частотах выше 1,2 ГГц), достаточным количеством наземных узловых (шлюзовых) станций.

Системы пакетной передачи данных обеспечивают передачу любых данных в цифровом виде: телексные, факсимильные сообщения, компьютерные данные и т.д.; как правило, в таких системах отсутствуют требования к оперативности доставки сообщений, скорость передачи составляет от единиц до сотен килобайт в секунду. В настоящее время развернуты несколько систем пакетной передачи данных для организации доступа в Internet.

Для определения местоположения абонента развернута GPS система на базе спутниковой группировки ГЛОНАСС/НАВСТАР. Как правило, GPS система используется в промышленных и военных целях: определение координат морских судов, самолетов, железнодорожных и автомобильных транспортов специального назначения, находит применение в геологоразведовательных экспедициях и т.п.

Сеть спутникового телевещания охватывает практичести всю территорию материков и насчитывает сотни телевизионных каналов, сгруппированных по тематикам: новости, спорт, культура, развлекательное телевидение и т.д. Помимо сервиса в виде избыточного количества телеканалов достоинством сетей спутникового телевещания является охват малозаселённых территорий, где отсутствуют (в виду их нерентабельности) ретрансляционные сети телевещания.

Для построения спутниковых систем связи используют орбитальные группировки, расположенные на разных по высоте орбитах (классификация по высоте орбиты):

- высокоорбитальные, или геостационарные – круговые экваториальные орбиты высотой около 40 000 км;

- среднеорбитальные – с круговой орбитой высотой порядка 10 000 км;

- низкоорбитальные – круговые орбиты высотой 700-1500 км.

Высота орбит определятся многими факторами: энергетические характеристики радиолиний (мощность уменьшается пропорционально квадрату расстояния), задержкой распространения радиоволн, размеры и расположение обслуживаемых территорий, угол места спутника, способ организации связи и т.д.

Геостационарные орбитальные группировки имеют период обращения спутника вокруг Земли 24 часа, т.е. спутник является неподвижным относительно поверхности Земли, как бы «висит» над одной и той же точкой экватора. Помимо этого, большое соотношение высоты орбиты и радиуса Земли позволяет трем геостационарным спутникам охватить практически полностью поверхность планеты (за исключением полюсов). Однако геостационарные космические группировки имеют значительный недостаток – большое время распространения радиосигнала, что приводит к задержкам передачи сообщений во время сеанса связи.

Спутники, находящиеся на низких орбитах, не имеют ощутимой задержки распространения радиосигнала. Однако в зону видимости абонента попадают лишь на 8-12 минут, что требует для обеспечения непрерывности связи наличие большого количества спутников, как бы «передающих по эстафете» абонента посредством наземных шлюзовых станций или межспутниковой связи.

С увеличением высоты орбиты увеличивается зона видимости и, соответственно, время нахождения спутника в зоне видимости, что позволяет уменьшить количество спутников в группировке. Высота орбит среднеорбитальных систем связи является компромиссным значением между параметрами: количество спутников в группировке и время распространения сигнала (при скорости спутника 7 км/с - порядка 130 мс).

Системы спутниковой связи имеют много общего с сотовыми системами связи: территория обслуживания, как правило, формируется посредством нескольких радиолучей, с той лишь разницей, что размер соты составляет несколько сотен километров, а роль базовых станций выполняют спутники (или многолучевые антенны). Многолучевые антенны используют в геостационарных (иногда – в среднеорбитальных) системах связи с целью достижения необходимой пропускной способности сети. Абонентские терминалы речевой связи оборудованы вокодерами, обеспечивающими переменную скорость передачи речевого сигнала; передача информации ведётся со скоростью порядка 1200-9600 бит/с. Геостациионарные системы связи в большинстве своём используют протокол TDMA, низкоорбитальные – CDMA (например: Globalstar, Odyssey). В настоящее время активно ведутся разработки по интеграции сотовых систем связи и спутниковых систем связи.

Принципы построения спутниковых систем связи

Спутниковая сеть связи (рисунок 5.1) включает в себя:

- космический сегмент, состоящий из нескольких спутниковых ретрансляторов;

- наземный сегмент, (центр управления орбитальными спутниками, шлюзовые станции);

- абонентский сегмент (абонентские терминалы);

- интерфейсы сопряжения шлюзовых станций с наземными сетями связи.

С целью обеспечения отсутствия взаимных помех систем спутниковой связи использование частот и расположение спутниковых ретрансляторов регламентируется Международным консультативным комитетом по радио и Международным комитетом по регистрации частот. Диапазоны частот, выделенные под типы связи (см. рисунок 5.1) представлены в таблице 5.1.

Космический сегмент включает спутниковую группировку, состоящую из нескольких спутниковых ретрансляторов, равномерно размещенных на орбитах. Космические аппараты (КА) включают:

- центральный процессор;

- радиоэлектронное оборудование бортового радиотрансляционного комплекса;

- антенные системы;

- системы ориентации и стабилизации;

- двигательные установки;

- система электропитания (аккумуляторы и солнечные батареи).

Таблица 5.1

Распределение частот по типам связи

Диапазон	Полоса частот, ГГц
L	1,452 - 1,500 1,61 - 1,71
S	1,93 - 2,70
C	3,40 - 5,25 5,725 - 7,075
Ku	10,70 - 12,75 12,75 - 14,80
Ka	14,40 - 26,50 27,00 - 50,20
K	84,00 - 86,00

Количество спутников в орбитальной группировке определяется из соображений полного охвата обслуживаемой территории. Например, для низкоорбитальной группировки с орбитой 1000 км и при скорости спутника 7 км/с время видимости спутника составляет 14 минут; после этого спутник «уходит» за линию горизонта и, для обеспечения непрерывности связи, на смену ему должен приходить следующий, за ним – третий и т.д. Т.о. количество спутников будет определяться отношением периода обращения спутника вокруг Земли к периоду нахождения спутника в зоне видимости. С увеличение высоты орбиты увеличивается время видимости спутника, соответственно, уменьшаются требования к численности орбитальной группировки, однако, из-за увеличения дальности связи требуется более сложное и дорогостоящее оборудование. Численность орбитальной группировки определяется компромиссом между стоимостью и объёмом оказываемых услуг и простотой и стоимостью подвижного спутникового терминала.

Обеспечение связи абонента, находящегося в зоне видимости одного спутника, с абонентом, находящимся в зоне видимости другого спутника, организуется посредством связи между спутниковыми ретрансляторами (по цепочке, пока информация не дойдёт до спутникового ретранслятора второго абонента). В некоторых системах эту функцию выполняют шлюзовые станции, транслирующие информацию с одного спутника на другой.

Наземный сегмент включает:

- центр управления системой;

- центр запуска КА;

- центр управления связью;

- шлюзовые станции.

Центр управления системой осуществляет слежение за КА, расчёт их координат, сверку и коррекцию времени, диагностику бортовой аппаратуры, передачу командной информации и т.д. функции управления осуществляются на основе телеметрической информации, получаемой от каждого КА группировки. Благодаря использованию территориально разнесённых контрольно-измерительных станций центр управления системой с достаточно высокой оперативностью выполняет: контроль запуска и точность вывода КА на заданную орбиту, контроль состояния каждого КА, контроль и управление орбитой каждого КА, разрешение нештатных ситуаций, вывод КА из состава орбитальной группировки.

Центр запуска КА определяет программу запуска, осуществляет сборку ракеты-носителя, установку полезной нагрузки КА, предстартовую проверку; после запуска ракеты-носителя - траекторные измерения на активном участке полёта, которые передаёт в центр управления системой для корректировки последующей траектории.

Центр управления связью планирует использование ресурса спутника, посредством шлюзовых станций контролирует и управляет связью. В нормальных условиях работы орбитальной группировки связь со шлюзовой станцией и пользовательскими терминалами осуществляется автономно. В нештатных ситуациях (неработоспособность КА, оборудования спутникового ретранслятора или шлюзовой станции) центр переходит в режим поддержания связи с повышенной нагрузкой, или проводит реконфигурирование сети.

Абонентский сегмент определяется номенклатурой предоставляемых спутниковой системой связи услуг: связь абонентов спутниковой сети с абонентами спутниковой сети, ТфОП, пейджинговых и сотовых сетей, определение местоположения (координат) абонентов.

Абонентское оборудование разделяют на переносные спутниковые терминалы (весом до 700 г) и мобильные терминалы (весом порядка 2,5 кг). Спутниковые телефоны оборудованы антенной, не требующей ориентации на спутниковый ретранслятор. При установлении связи (что занимает порядка 2 с) система автоматически определяет свободный канал и закрепляет его за абонентом на период сеанса связи. Как правило, в телефонах используется временное или частотное уплотнение каналов, хорошо зарекомендовавшее себя в сотовой связи. Некоторые спутниковые телефоны способны работать с сотовыми сетями связи (устанавливается соответствующая SIM-карта).

Краткий обзор спутниковых систем мобильной связи

Teledesic

Teledesic - широкополосной низкоорбитальной спутниковой коммуникационной системе - выделены две полосы по 500 МГц в Ка-диапазоне (20-30 ГГц). Up-link: 28,6-29,1 ГГц; down-link: 18,8-19,3 ГГц.

Система состоит из 288 спутников на 12 орбитах. Все эти спутники, связанные в единую сеть, должны организовать систему "космического Интернета" (Internet in the sky). В пределах зоны радиусом 100 км система сможет поддерживать скорость 500 Мбит/с на и от пользователя. Большинство пользовательских терминалов способны поддерживать скорость 64 Мбит/с в обоих направлениях. Базовым режимом, то есть наиболее массовым, по оценкам экспертов компании, будет режим c up-link скоростью 2 Мбит/с и down-link скоростью 64 Мбит/с.

Celestri

Особенность этой системы заключается в совместном использовании низкоорбитальных и геостационарных спутников. Спутники, находящиеся на низких орбитах, будут осуществлять региональную трансляцию, геостационарные спутники — глобальную. Эта система является "второй серией", которую решила продемонстрировать компания Motorolla вслед за уже широко известным Iridium'ом. Если Iridium осуществляет телефонную и пейджинговую связь, то система Celestri должна предоставить своим пользователям полный набор мультимедийных услуг.

Низкоорбитальная группировка будет состоять из 63 спутников, расположенных на 7 орбитах. Высота орбиты - 1400 км, наклонение - 48°, период обращения - 1,9 часа. Каждый спутник будет общаться с пользователями со скоростью 80 Гбит/с. Минимальный срок службы каждого аппарата - 8 лет. Частотный диапазон: Up-link 28,6-29,1 и 29,5-30,0 ГГц; Down-link 18,8-19,3 и 19,7-20,2 ГГц; скорость межспутниковой связи 4,5 Гбит/с.

Геостационарная группировка состоит из девяти спутников, каждый из которых будет формировать 4 широких луча и 84 узких. Скорость связи в каждом луче - 2,8 Гбит/с. Набор пользовательской аппаратуры предусматривает терминалы со скоростями от 64 Кбит/с до 155 Мбит/с. Стоимость самого дешевого комплекта оборудования не должна превышать 750 долларов.

Ellipso

Ellipso является гибридной системой, включающей 17 спутников в двух группировках: средне- и низко-орбитальной.

Создатели системы поставили себе задачу минимизировать стоимость одной минуту, для чего они пошли по пути достижения максимальной эффективности системы минимальными средствами. То есть сделали так, чтобы спутники обслуживали заселенные области, а время пролета над малонаселенными областями было минимизировано.

Спутниковая группировка разделена на две половины: Ellipso-Boreal и Ellipso-Concordia. Первая предназначена для обслуживания Северного полушария, вторая - южного. В системе Ellipso-Boreal - 10 спутников, выведенных на эллиптические орбиты (апогей - 7846 км, перигей - 520 км, наклонение - 116,5°, период обращения - 3 часа). Апогей орбиты находится в северном полушарии, таким образом, большую часть периода спутник обслуживает северное полушарие. Система Ellipso-Concordia состоит из шести спутников, находящихся на круговых экваториальных орбитах высотой 8040 км. Эта система будет обслуживать южное полушарие, причем только до 47° ю.ш. Все территории, находящиеся южнее, по замыслу создателей, не заселены и в мобильной связи не нуждаются. Кстати, на эту орбитальную схему создателями получен патент. По их словам, данное расположение орбит повышает эффективность системы чуть ли не на 20 % по сравнению с системой, расположенной на круговых орбитах.

Globalstar

Система состоит из 56 спутников на восьми орбитах. При этом шесть спутников на каждой орбите являются рабочими, а по одному - резервными. Высота орбиты - 1414 км, наклонение - 52°. Масса каждого спутника - 450 кг, минимальный срок службы - 7,5 лет.

Особенность Globalstar заключается в том, что при запросе пользователя сначала будет сделана попытка соединить пользователя через местную сотовую сеть. При невозможности сделать это, сигнал будет отправлен на спутник, с которого - на узловую станцию (Gateway), и далее - в местные коммуникационные сети. Таким образом, Globalstar является не альтернативой традиционным методам связи, а только дополнением. В проект всех остальных систем тоже заложена совместимость с наземными сетями, однако, "врастание" в такой сильной степени характерно только для Globalstar.

Рабочие частоты Globalstar:

- 1610-1621,35 МГц - Up-link - связь пользователь-спутник

- 2483,5-2500 МГц - down-link - связь спутник-пользователь

- 5091-5250 МГц - feeder up-link - связь gateway-спутник

- 6875-7055 МГц - feeder down-link - связь спутник-gateway

Sky Bridge

Спутниковая группировка Sky Bridge включает 64 спутника на низких орбитах, обеспечивая пользователей всем "джентльменским набором" мультимедийных услуг: передача данных, корпоративная связь, выход в Интернет, игры. Каждый спутник формирует 45 лучей, каждый из которых обслуживает область радиусом 350 км. Масса спутника - 800 кг, минимальный срок службы - 8 лет. Пользовательский терминал обеспечивает скорость 64 Мбит/с на линии "спутник-Земля" и 2 Мбит/с на линии "Земля-спутник". Предполагается создать около 200 узловых трансляционных станций, обеспечивающих связь Sky Bridge c местными коммуникационными сетями. Эти же станции будут обеспечивать переключение пользователя со спутника, выходящего из зоны видимости.

ORBICOMM

В 1995 г. на орбиту были выведены два экспериментальных спутника. В настоящее время идет разворачивание системы из 28 КА. Система осуществляет слежение за передвижными объектами (аналогично системе Euteltraks), автоматический сбор информации (пожарные службы, радиационный контроль и др.), корпоративную и персональную связь. Спутники находятся на орбите высотой 825 км. Для трансляции "Земля-спутник" используется диапазон 137-138 МГц и 400 МГц, для трансляции "спутник-Земля" — 148-150 МГц.