Автор Кутуков Валерий
Системы спутниковой связи нашли широкое применение во всем мире. Они состоят из двух основных сегментов - космического и земного.
Под космическим сегментом обычно понимаются спутники-ретрансляторы, а также средства выведения их на орбиту и наземные комплексы управления. Спутники-ретрансляторы являются важнейшей частью космического сегмента. Они состоят из двух основных узлов: космической платформы и бортового ретранслятора.
Рис 1. Схема узлов спутника
Бортовой ретранслятор принимает сигналы земных станций, усиливает их и передает на землю. С помощью бортовых антенн, передаваемый спутником сигнал фокусируется в один или несколько лучей, чем обеспечивается формирование необходимой зоны обслуживания.
Рис 2. Упрощенная схема бортового ретранслятора (3 ствола)
Основными характеристиками спутников связи являются количество радиочастотных каналов (ретрансляторов) или стволов, мощность передатчиков в каждом стволе (обычно представляемая как эквивалентная изотропно излучаемая мощность или ЭИИМ), количество и размеры зон обслуживания. Для уменьшения взаимных помех передача сигнала со спутника (Downlink) ведется на частоте, отличной от частоты передачи сигнала с земли на спутник (Uplink). Поэтому ретрансляторы спутника имеют в своем составе преобразователи частоты. Обычно частота Downlink ниже, чем линии Uplink.
Для систем спутниковой связи выделены определенные диапазоны частот, каждый из которых имеет свои особенности. Количество, размеры и формы зон обслуживания определяются конструкцией антенн.
Космическая платформа предназначена для поддержания работы спутника связи. Основными функциями космической платформы являются обеспечение бортового ретранслятора электропитанием и удержание спутника на заданной орбите. Электропитание бортовой аппаратуры осуществляется обычно от солнечных батарей и резервных аккумуляторов.
Под влиянием гравитационных сил спутник отклоняется от заданной орбиты, из-за чего необходимо периодически проводить ее коррекцию, используя специальные реактивные двигатели, установленные на спутнике. Поэтому значительную долю веса геостационарных спутников составляет вес двигательной установки и горючего для корректирующих двигателей. Запас горючего для коррекции орбиты, наряду с надежностью и долговечностью бортовой аппаратуры, определяет срок активного существования спутников связи.
Оперативное управление бортовыми системами и их контроль осуществляется бортовой вычислительной машиной. Кроме того, вся телеметрическая информация о состоянии систем спутника передается на землю. Наземный комплекс управления (НКУ) по результатам телеметрического контроля и измерения параметров орбиты спутника передает на него команды по коррекции орбиты и управлению бортовой аппаратурой.
Земной сегмент представляет собой сеть абонентских станций спутниковой связи, устанавливаемых у пользователей, а также центр управления сетью (при необходимости его использования). Абонентские станции могут быть как стационарными, так и подвижными. До 90% стоимости большинства систем спутниковой связи обычно приходится на земной сегмент.
Рис 3. Структурная схема земной станции
Типовая земная станция (ЗС) системы фиксированной спутниковой связи (ФСС) состоит из следующих основных узлов:
Станция космической связи обеспечивает прием и передачу информации по спутниковому каналу. Она включает в себя антенную систему, приемо-передающее оборудование и преобразователи частоты. Размеры антенны и мощность передатчика определяются ЭИИМ спутника и качеством его приемных антенн, а также частотной полосой передаваемого сигнала.
Каналообразующая аппаратура формирует и обрабатывает модулирующий сигнал, обеспечивает процедуру многостанционного доступа (мультиплексирование / демультиплексирование сигналов), кодирование и декодирование сигналов, их модуляцию-демодуляцию. Связь каналообразующей аппаратуры с СКС осуществляется на промежуточной частоте, обычно 70 Мгц, иногда - 140 Мгц.
Состав оконечного оборудования зависит от назначения земной станции и вида передаваемой информации. Для сетей передачи данных это могут быть сборщики/разборщики пакетов, пакетные коммутаторы и т.д. В системах телефонной связи сюда входят модемы, кодеры и декодеры, коммутаторы и АТС.
Аппаратура соединительных линий предназначена для сопряжения земных станций с наземными линиями связи и аппаратурой пользователей.)
В космическом сегменте используются спутники-ретрансляторы, находящиеся на различных околоземных орбитах в зависимости от назначения системы:
Рис 4. Орбиты
Период обращения спутника вокруг земли зависит от высоты орбиты, поскольку линейная скорость спутника должна быть близкой к первой космической (около 8 км/с), чтобы спутник не падал на землю. В таблице приведены некоторые характеристики различных орбит.
Период обращения(час) |
Число витков в сутки |
Высота круговой орбиты |
Высота эллиптической орбиты (км) |
|
апогей |
перигей |
|||
4 |
6 |
6750 |
500 |
13000 |
6 |
4 |
10750 |
500 |
21000 |
8 |
3 |
14250 |
500 |
28000 |
12 |
2 |
20325 |
500 |
40250 |
24 |
1 |
35875 |
500 |
71250 |
Геостационарные орбиты являются наиболее популярными при создании систем спутниковой связи. Плоскость этой орбиты совпадает с плоскостью экватора, а спутники находятся на высоте около 36 000 км. Период вращения спутника на геостационарной орбите составляет 24 часа в сутки, и для наблюдателя на земле он кажется неподвижным. Это позволяет использовать для связи со спутником высокоэффективные фиксированные узконаправленные антенны. Зона видимости геостационарного спутника составляет почти треть поверхности земли, что позволяет с их помощью обслуживать большие территории. Для обслуживания практически всей земной суши достаточно трех геостационарных спутников. Расстояние между земными станциями, работающими через такой спутник, может достигать нескольких тысяч километров. Недостатком геостационарной орбиты является большое расстояние между спутником и земной станцией. В результате этого происходит сильное затухание сигнала на линии земля-космос, что ужесточает требования к чувствительности приемников и выходной мощности передатчиков. Кроме того, на таких расстояниях становится заметной задержка при распространении сигнала, составляющая около 0,25 сек при одном скачке (линия земля- космос- земля).
Высокие эллиптические орбиты занимают особое место среди остальных орбит. Во-первых, при угле наклона около 65 градусов, такая орбита отличается высокой стабильностью во времени, что позволяет значительно снизить вес космического аппарата за счет отказа от больших запасов топлива для двигателей коррекции. Во вторых, если верхняя точка орбиты (апогей) расположена над северным полушарием, спутник "освещает" практически всю территорию России, включая приполярные области, а также виден с территории Канады и Японии. Благодаря замедленному движению спутника в апогее такая видимость длится около 8 часов, а угловая скорость его достаточно низка, чтобы антенны земных станций могли "следить" за ним. Эта особенность орбиты позволяет организовать не только обслуживание территории России, но и поддерживать прямую связь с промышленно развитыми регионами Северной Америки и Азии. Такая орбита была использована для первого отечественного спутника связи "Молния". Поэтому на западе высокоэллиптическую орбиту с углом наклона 55 градусов называют "орбитой Молнии".
Низкие орбиты привлекают разработчиков тем, что за счет малого расстояния между спутником и земной станцией потери на линии более чем в тысячу раз меньше, что позволяет значительно снизить требования к мощности передатчиков и чувствительности приемников. С другой стороны, диаметр зоны обслуживания составляет около 500 км, и каждый спутник находится в зоне видимости земной станции около 15-20 минут. Поэтому для организации непрерывной связи необходимо использовать целый флот низкоорбитальных спутников (не менее 48). Кроме того, для работы с низколетящим спутниками необходимо использовать либо малоэффективные широконаправленные антенны, либо узконаправленные антенны со сложными системами слежения за спутниками.
Средние орбиты занимают промежуточное положение между геостационарными и низкими и предлагают некоторое компромиссное решение между двумя этими системами.
Фиксированные спутниковые службы (ФСС) предназначены для организации связи с неподвижными земными станциями и обычно строятся на базе спутников-ретрансляторов, запускаемых на геостационарную орбиту.
Из-за большой высоты орбиты и связанных с этим значительных потерь сигнала на линии космос-земля, для работы с геостационарными спутниками связи используются узконаправленные параболические антенны ("тарелки") с диаметром зеркала от 60 см до 12 и более метров, в зависимости от характеристик бортовых ретрансляторов. Антенны средних размеров (1,2 - 3,8 м) применяются для организации двусторонней связи в спутниковых телекоммуникационных сетях (региональные, местные и корпоративные сети связи, передача данных, распределение телепрограмм и т.п.) на базе спутников средней мощности. Антенны размером менее 1 м нашли широкое применение в системах непосредственного спутникового телевизионного вещания (НТВ) на базе специализированных мощных спутников, а также в сетях высокоскоросного доступа в Интернет.
Отечественные спутники "Горизонт" и "Экспресс" являются маломощными магистральными системами, и для работы с ними необходимы антенны размером 4,5-12 м. К системам средней мощности можнотакже отнести спутники "Экспресс-М", "Купон", "Ямал", позволяющие использовать для работы с ними небольшие земные станции с антеннами диаметром 1,2-2,4 м. Примером системы НТВ являются отечественные спутники "Галс", "Бонум-1" и зарубежные "Астра" и "ДирекТВ", работающие с антеннами диаметром 45-90 см.
В настоящее время в мире эксплуатируется более сотни геостационарных спутников связи различного назначения. До 80% ресурсов геостационарных спутниковых систем используются для распределения телевизионных программ. Остальные ресурсы загружены передачей данных и телефонной связью.
Мобильные спутниковые службы (МСС) используются для связи с подвижными объектами. В настоящее время наиболее популярной является система МСС "Инмарсат"(Inmarsat), построенная на геостационарных спутниках. Первоначально система создавалась для обеспечения связи с морскими судами, но затем она стала применяться и на суше. Существует широкий спектр абонентских станций "Инмарсат", устанавливаемых на судах, автомобилях, самолетах, а также портативных, размером с атташе-кейс, используемых в отдаленных районах и в зонах стихийных бедствий.
Дальнейшим развитием МСС является создание систем, способных работать с небольшими, размером с сотовый телефон, абонентскими станциями, что требует использования специализированных спутников, обычно размещаемых на низких орбитах (500-1500 км). Относительно малая высота их орбиты позволяет существенно сократить размеры и мощность абонентских устройств. Спутники в этом случае перемещаются относительно поверхности земли, находясь в зоне видимости абонента лишь 10-15 минут, поэтому для поддержания непрерывности связи на орбите должно находиться много спутников. Уже начата эксплуатация первой такой системы - МСС "Иридиум" и еще нескольких подобных систем. Из-за малого времени нахождения одного спутника в зоне видимости абонента (для системы "Иридиум" оно составляет лишь 7 минут), для обеспечения непрерывности связи спутниковая группировка должна состоять из нескольких десятков спутников. Например, российский проект "Гонец" предусматривает запуск 36 спутников, а международные системы состоят из 48-ми ("Глобалстар"), 66-ти ("Иридиум") и, даже, 288-ми ("Теледесик") спутников. Недостатком низкоорбитальных систем является сложность космической группировки и управления ею, а также необходимость постоянной замены спутников из-за короткого срока их существования на низких орбитах (5-7 лет в сравнении с 12-15 годами для геостационарных), что существенно повышает стоимость услуг таких систем. Серьезную конкуренцию низкоорбитальным могут составить системы МСС на базе мощных геостационарных спутников, а также спутниковых систем на высокоэллиптических орбитах.
Современные спутниковые системы предлагают широкий спектр услуг связи от распределения телевизионных и радиопрограмм, региональных, корпоративных и глобальных сетей связи и обмена данными до персональной связи с любой точкой планеты с помощью портативных спутниковых терминалов. В зависимости от потребностей пользователей, используются различные комбинации наземных и спутниковых систем связи. Во многих случаях системы спутниковой связи оказываются наиболее дешевым и экономически выгодными в сравнении с наземными системами.
Использование различных частот для систем радиосвязи и вещания, включая спутниковые, строго регламентируется международными организациями. Это необходимо для достижения совместимости различных систем, а также для предотвращения взаимных помех при работе различных служб. В 1977 году состоялась Всемирная административная радиоконференция (WARC-77) по планированию вещательной спутниковой службы, на которой был принят ныне действующий Регламент радиосвязи. В соответствии с ним вся территория Земли разделена на три района, для вещания в каждом из которых выделены свои полосы частот. Район 1 включает Африку, Европу, Россию, Монголию и страны СНГ. Район 2 охватывает территорию Северной и Южной Америки. Район 3 - это территории Южной и Юго-Восточной Азии, Австралия и островные государства Тихо-Океанского региона.
В соответствии с этим регламентом для систем спутниковой связи выделено несколько диапазонов частот, каждый из которых получил условное обозначение буквой латинского алфавита.
Наименование диапазона |
Полоса частот в ГГц |
L -диапазон |
1,452-1,550 и 1,610-1,710 |
S - диапазон |
1,93 - 2,70 |
C - диапазон |
3,40 -5,25 и 5,725 - 7,075 |
X - диапазон |
7,25 - 8,40 |
Ku - диапазон |
10,70 - 12,75 и 12,75 - 14,80 |
Ka - диапазон |
15,40 - 26,50 и 27,00 - 30,20 |
K - диапазон |
84,0 - 86,0 |
Большинство действующих систем спутниковой связи на базе геостационарных спутников работают в диапазонах С (6/4 Ггц) и Ku (14/11 Ггц). Ка - диапазон в нашей стране пока широко не применяется, но идет его бурное освоение в Америке и Европе. Эффективность приемных зеркальных антенн ("тарелок") пропорциональна числу длин волн, укладывающихся в ее поперечнике. А длина волны с увеличением частоты уменьшается. Следовательно, при одинаковой эффективности размеры антенн уменьшаются с увеличением частоты. Если для приема в диапазоне С требуется антенна 2,4 - 4,5 м, то для диапазона Ku ее размер уменьшится до 0,6 - 1,5 м, для диапазона Ка он может быть уже 30 - 90 см, а для К- диапазона - всего 10 - 15 см.
При одинаковых размерах антенна в диапазоне Ku имеет коэффициент усиления примерно на 9,5 дб больше, чем в диапазоне C. Обычно, ЭИИМ спутников в диапазоне C не превышает 40-42 дБ, тогда как в диапазоне Ku нередки уровни ЭИИМ 50-54 дБ для систем фиксированной спутниковой связи, и даже 60-62 дБ для спутников систем НТВ. По тем же причинам, коэффициент усиления приемных антенн на спутниках-ретрансляторах в диапазоне Ku выше, чем в диапазоне C. В результате, размеры антенн и мощность передающих устройств земных станций в диапазоне Ku в большинстве случаев меньше, чем в диапазоне C. Например, для работы со спутником "Горизонт" в диапазоне C требуются земные станции с антеннами не менее 3,5 м и передатчиком около 20 Вт. В то же время, земные станции с такой же пропускной способностью для работы со спутником "Интелсат" (Intelsat) в диапазоне Ku могут оснащаться антеннами диаметром 1,2 м и передатчиком 1 Вт. Стоимость первой станции примерно в два раза выше, чем второй при одинаковых пользовательских характеристиках.
В пользу диапазона Ku говорит также факт, что полоса частот, выделенных МСЭ для систем спутниковой связи в этом диапазоне более чем два раза превышает полосу в диапазоне C. К недостаткам диапазона Ku следует отнести повышенные, по сравнению с диапазоном C, потери во время дождя, что требует создания запаса по усилению антенны для их компенсации. Это ограничивает применение диапазона Ku в регионах с тропическим и субтропическим климатом. Для большинства же районов России необходимый запас не превышает 3-4 дб, для создания которого достаточно увеличить диаметр антенны на 20-30% в сравнении с регионами с сухим климатом.
В связи с изложенным, большинство сетей спутниковой связи на базе VSAT строятся в диапазоне Ku.
Для работы систем спутниковой связи выделяются определенные полосы частот, в рамках которых возможно размещение большого числа каналов. При используемых в настоящее время методах модуляции полоса частот одного симплексного (однонаправленного) канала, выраженная в килогерцах (кГц), примерно равна скорости передачи, выраженной в килобитах в секунду (кбит/с). Таким образом, для передачи данных в одном направлении со скоростью 64 кбит/с требуется полоса около 65 кГц, а для канала Е1 (2048 кбит/с) необходима полоса частот около 2 МГц. Для двухсторонней (дуплексной) связи требуемую полосу необходимо удвоить. Следовательно, для организации дуплексного канала со скоростью передачи 2 Мбит/с потребуется полоса частот около 4 МГц. Это соотношение выполняется и для большинства других радиоканалов, а не только спутниковых.
Для стандартного спутникового ствола с полосой 36 МГц максимальная скорость передачи составляет около 36 Мбит/с. Но большинству пользователей такие высокие скорости не нужны и они используют лишь часть этой полосы. Поэтому в одном стволе спутника могут работать десятки пользователей и необходимо предпринимать меры по разделению сигналов различных пользователей.