Спутниковая связь

СПУТНИКОВАЯ СВЯЗЬ

Предварительные прогнозы развития систем персональной спутниковой связи показывают, что в начале XXI в число их абонентов составит примерно 1 млн., а в течении следующего десятилетия- 3млн.

В настоящее время число пользователей спутниковой системы Inmarsat составляет 40тыс.

По данным различных источников, в России к концу 2010 года можно будет ожидать появления 500тыс. абонентов систем спутниковой персональной связи.

В последние годы в России всё активнее внедряются современные виды и средства связи. Но, если сотовый радиотелефон уже стал привычным, то аппарат персональной спутниковой связи (спутниковый терминал)пока еще редкость.

Анализ развития подобных средств связи показывает, что уже в скором будущем мы станем свидетелями повседневного применения систем персональной спутниковой связи (СПСС).

Близится время объединения наземных и спутниковых систем в глобальную систему связи.

Персональная связь станет возможной в глобальном масштабе, т.е. будет обеспечена досягаемость абонента в любой точке мира путем набора его телефонного номера, не зависящего от местонахождения абонента.

Но прежде, чем это станет реальностью, системы спутниковой связи должны будут успешно выдержать испытания и подтвердить заявленные технические характеристики и экономические показатели и процессе коммерческой эксплуатации.

Что же касается потребителей, то, чтобы сделать правильный выбор, им придется научиться хорошо ориентироваться во множестве предложений.

Приведем основные этапы бурного развития космических систем связи, которые показывают, что использование их в глобальном масштабе реально в ближайшем будущем:

Середина 60-х годов: запуск первых спутников связи, начало коммерческого использования спутников-ретрансляторов для многоканальной связи, передачи телепрограмм и т.п.

70-е годы: создание систем подвижной спутниковой связи, спутникового телевещания коллективного пользования.

80-е годы: зарождение технологии VSАТ (Very Small Aperture Terminal) -- технологии малых спутниковых терминалов, устанавливаемых прямо у пользователей, и непосредственного спутникового телевизионного вещания.

Конец 90-х годов: мир на пороге качественных изменений, связанных с предстоящим началом эксплуатации глобальных спутниковых систем связи.

В скором будущем спутниковая связь может качественно изменить всю индустрию телекоммуникаций и оказать влияние на привычный уклад жизни. Она, прежде малодоступная, станет обычной и откроет новые возможности для образования, науки и предпринимательства.

Системы персональной спутниковой связи обладают рядом преимуществ по . сравнению с рассмотренными ранее системами подвижной связи.

Например, если пользователь находится за пределами зоны обслуживания местных соевых систем, спутниковая связь играет ключевую роль, поскольку она не имеет ограничений по привязке к конкретной местности Земли.

Ожидается, что к началу 2011 г. в. площадь зон обслуживания сотовых систем приблизится к 15% площади земной поверхности. Но во многих регионах мира спрос на услуги подвижной связи может быть удовлетворен только с помощью спутниковых систем.

В зависимости от вида предоставляемых услуг спутниковые системы связи можно разделить на три основных класса:

> Системы пакетной передачи данных (доставки циркулярных сообщений, автоматизированного сбора данных о состоянии различных объектов, в том числе транспортных средств и т. д.)

> Системы речевой (радиотелефонной) связи

> Системы для определения местоположения (координат) потребителей

Системы пакетной передачи данных предназначены для передачи в цифровом виде любых данных (телексных, факсимильных сообщений, компьютерных данных и др.)

Скорость пакетной передачи данных в космических системах связи составляет от единиц до сотен килобайт в секунду. В этих системах, как правило, отказываются от непрерывности обслуживания и не предъявляют жестких требований к оперативности доставки сообщений,

В таком режиме работает «электронная почта» (поступившая информация опоминается бортовым компьютером и доставляется корреспонденту и заранее определенное время суток).

При радиотелефонной связи в спутниковых системах используют цифровую передачу сообщений, при этом обязательно должны выполняться общепринятые международные стандарты.

В таких системах задержка сигнала на трассе распространения не должна превышать 0,3 с и переговоры абонентов не должны прерываться во время сеанса связи.

Обслуживание абонентов должно быть непрерывным и проходить в реальном масштабе времени. В этом случае при построении радиотелефонной спутниковой сети необходимо учитывать, что:

> Спутники должны оснащаться высокоточной системой ориентации для удержания луча их антенны в заданном направлении

> Количество спутников в системе должно быть достаточным для обеспечения сплошного и непрерывного покрытия зоны обслуживания

Для обеспечения достаточного количества каналов связи должны применяться многолучевые антенные системы, работающие на высоких частотах (более 1,5 ГГц), что значительно усложняет конструкцию антенн и космических аппаратов (КА)

>Для обеспечения непрерывности радиотелефонной связи через спутник, оснащенный многолучевыми антенными системами, требуется большое количество узловых (шлюзовых) станций с дорогим коммуникационным оборудованием

Во многих случаях абоненту необходимо знать свое местоположение (координаты) на Земле. Для этих целей применяют аппаратуру двух типов:

> Стандартную навигационную аппаратуру GPS систем ГЛОНАСС/НАВСТАР, которая обеспечивает очень высокую точность определения координат потребителя.

>Специальную навигационную аппаратуру, которая по сигналам спутников персональной связи и (или) шлюзовых станций позволяет определять координаты потребителя, но с меньшей точностью используя аппаратуру второго типа, можно определять координаты абонента одним из следующих способов:

> По сигналам 4 спутников персональной связи

> По сигналам шлюзовых наземных станций

> По сигналам спутников и шлюзовых станций

Значительный прогресс в развитии спутниковых систем персональной связи достигнут благодаря внедрению новых технических решений, ключевыми из которых можно считать: обработку сигнала на борту спутника- ретранслятора, создание перспективных сетевых протоколов обмена информацией и применение недорогих портативных пользовательских терминалов с малым энергопотреблением.

Развитию систем персональной спутниковой связи способствуют большие успехи, достигнутые в микроминиатюризации функциональных узлов коммуникационного оборудования.

Применение арсенида галлия и фосфида индия позволило создать мощные солнечные батареи небольших размеров, а внедрение различных композиционных материалов -- уменьшить массу спутников. Значительный прогресс ожидается и в области разработки бортовых ЭВМ на специализированных БИС (больших интегральных схемах), обеспечивающих высокоскоростную коммутацию при ретрансляции информационных потоков.

Применение методов многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), который основан на использовании широкополосных сложных сигналов, несомненно, способствует успешному развитию спутниковых систем связи.

В космических системах, решающих задачи персональной связи, используются спутники, которые могут находиться на различных орбитах.

Классификация орбит связных КА:

Орбиты КА классифицируются: но форме, периодичности прохождения над точками земной поверхности и по наклонению, по форме различают следующие типы орбит:

Круговые -- трудно реализуемые на практике и требующие частой коррекции помощью бортовых корректирующих двигателей КА.

Близкие к круговым. Это наиболее распространенный тип орбит в системах спутниковой связи.

На таких орбитах высоты апогея и перигея . различаются на несколько десятков километров.

Эллиптические. Высоты Н (апогея) и Н(перигея) могут значительно различаться (например, На = 38000 - 40000 км, Нп = 400 - 500 км), Данные орбиты также широко применяются в системах спутниковой связи.

Геостационарные. Это круговые экваториальные орбиты с периодом обращения спутника, равным периоду обращения Земли (Р = 23 ч 56 мин).

На такой орбите КА располагается на высоте 36000 км и находится постоянно над определенной точкой экватора Земли, Космические аппараты, находящиеся на геостационарной орбите, имеют большую площадь обзора Земли, что позволяет с успехом использовать их в системах спутниковой связи

Параболические и гиперболические. Применяются, как правило, при изучении планет Солнечной системы.

По периодичности прохождения КА над точками земной поверхности различают следующие типы орбит:

> Синхронные. Они, в свою очередь, подразделяются на синхронные изомаршрутные и синхронные квазимаршрутные. Изомаршрутные орбиты характеризуются тем, что проекции орбиты КА на земную по верхность (трассы) совпадают ежесуточно.

Квазизомаршрутные орбиты характеризуются тем, что проекции орбиты КА на земную поверхность совпадают один раз в несколько суток.

> Несинхронные характеризуются тем, что трассы, соответствующие любым двум оборотам КА вокруг Земли, не совпадают.

Под наклонением орбиты понимается угол между плоскостями экватора Земли и орбиты КА.

Наклонение отсчитывается от плоскости экватора до плоскости орбиты против часовой стрелки Оно может изменяться от О до 180°.

По наклонению различают следующие типы орбит:

> Прямые (наклонение орбиты < 90°)

> Обратные (наклонение орбиты > 90°)

> Полярные (наклонение орбиты = 90°)

> Экваториальные (наклонение орбиты равно 0 или 180°)

Прецессия орбиты

Несферичность Земли и неравномерность распределения ее массы приводят К изменению (прецессии) плоскости орбиты КА что влечет за собой прецессию линии апсид (т.е. линии соединяющей апогей и перигей) орбиты.

При этом скорость названных прецессией зависит от формы орбиты высоты апогея и перигея а также от наклонения.

Прецессия плоскости орбиты приводит к смещению восходящего и нисходящею узлов относительно первоначального положения (в момент вывода КА на орбиту).

Величина прецессии плоскости орбиты КА зависит от напряженности гравитационног0 поля Земли. Увеличение напряженности приводит к «спрямлению» орбиты вблизи экватора за счет увеличения скорости движения КА в направлении экватора.

При этом КА движущийся по прямой орбите начинает отклоняться влево по ходу движения, а КА, движущийся по обратной орбите- наоборот, вправо по ходу движения.

Таким образом, в первом случае плоскость орбиты прецессирует в западном направлении а во втором-- в восточном Плоскости полярных орбит (имеющих наклонение = 90°) не прецессируют.

Высота орбит КА выбирается на основании анализа многих факторов, включая энергетические характеристики радиолиний задержку при распространении радиоволн, близость к орбите радиационных поясов Ван Аллена, размеры и расположение обслуживаемых территорий. Кроме того на высоту орбиты влияют способ организации связи и требования по обеспечению необходимого значения угла места КА.

Анализируя низкоорбитальные группировки различных космических систем, можно заметить, что высоты круговых орбит КА большинства из этих группировок находятся в диапазоне от 700 до 1500 км Это обусловлено следующими факторами:

> На орбитах, расположенных ниже 700 км, плотность атмосферы достаточно высока что вызывает уменьшение эксцентриситета и постепенное снижение высоты апогея Дальнейшее уменьшение высоты орбиты приводит к повышенному расходу топлива увеличению частоты маневров для поддержания заданной орбиты

> На высотах выше 1500 км располагается первый радиационный пояс Ван Аллена, в котором невозможна работа электронной бортовой аппаратуры

Средне высотные орбиты (5000-- 15000 км над поверхностью Земли) находятся между первым и вторым радиационными поясами Ван Аллена.

В системах, использующих КА, расположенные на таких орбитах, задержка распространения сигналов через спутник-ретранслятор составляет примерно 130 мс, что практически неуловимо для человеческого слуха и, следовательно, позволяет использовать такие спутники для радиотелефонной связи.

Геостационарные космические системы с высотой орбит спутников примерно 36 000 км обладают двумя важными преимуществами:

> Спутники всегда находятся над определенной точкой Земли

> Система, состоящая из трех геостационарных спутников, практически обеспечивает глобальный обзор земной поверхности.

Однако орбитальным группировкам, состоящим из геостационарных спутников, присущ один крупный недостаток -- большое время распространения радиосигналов, что приводит к задержкам передачи сигналов при радиотелефонной связи.

Ожидание прихода ответного сигнала может вызвать недовольство нетерпеливых абонентов.

Системы, использующие спутники с высотой орбиты 700-1500 км, имеют лучшие энергетические характеристики радиолиний, чем системы с высотой орбит спутников, равной примерно 10 000 км, но уступают им в продолжительности активного существования КА. Дело в том, что при периоде обращения КА около 100 мин (для низких орбит) в среднем 30 мин из них приходится на теневую сторону Земли.

Поэтому бортовые аккумуляторные батареи испытывают от солнечных батарей приблизительно 5000 циклов заряда/разряда в год. Для круговых орбит с высотой 10 000 км период обращения составляет около б ч, из которых лишь несколько минут КА проводит в тени Земли.

Следует также отметить, что КА, находящийся на низкой орбите, попадает в зону прямой видимости абонента лишь на 8 -- 12 мин.

Значит, для обеспечения непрерывной связи любого абонента потребуется много КА, которые последовательно (при помощи шлюзовых станций или межспутниковой связи) должны обеспечивать непрерывную связь. С увеличением высоты орбиты КА зона прямой видимости спутника-ретранслятора и абонента увеличивается, что приводит к уменьшению количества спутников, необходимого для обеспечения непрерывной связи. Таким образом, с увеличением высоты орбиты увеличиваются время и размеры зоны обслуживания и, следовательно, требуется меньшее число спутников для охвата одной и той же территории.

Уже на самых ранних этапах создания спутниковых систем стала очевидной сложность предстоящей работы.

Необходимо было изыскать материальные средства, приложить интеллектуальные усилия многих коллективов ученых, организовать труд на этапе практической реализации.

Но, несмотря на это, в решение задачи активно включились транснациональные компании, имеющие свободный капитал. Более того, в настоящее время осуществляется не один, а несколько параллельных проектов.

Фирмы-разработчики ведут упорную конкурентную борьбу за будущих потребителей, за мировое лидерство в области телекоммуникаций.

В настоящее время в космических системах для решения задач персональной радиосвязи применяют спутники, которые могут находиться на следующих орбитах: низких (круговых или близких к круговым), средневысотных (круговых или эллиптических) и геостационарных.

Литература

1. Спутниковая связь и вещание. Справочник. - 3-е издание. Под редакцией Л.Я. Кантора. - М.: Радио и связь, 2007.

2. Ермилов В.Т. Международное регулирование применения земных станций спутниковой связи типа VSAT. - М.: Радио и связь, Горячая линия Телеком, 2009.