Системы подвижной спутниковой связи: классификация, назначение, построение

Данные спутниковые системы предназначены для осуществления связи между мобильными станциями, которые устанавливаются на подвижных объектах (судах, автомобилях, самолетах) и абонентами телефонных сетей, находящихся в общем пользовании, а также для организации подвижной связи, построенной на базе сотовых сетей.

Системы подвижной спутниковой связи классифицируются следующим образом:

Данная характеристика делит системы связи на:

● Высокоорбитальные (геостационарные) — экваториальные круговые орбиты, высота которых составляет около 40 000 км.

Здесь период, за который спутник совершает оборот вокруг Земли, составляет 24 часа, благодаря чему он остается неподвижным относительно поверхности планеты, «висит» над одной и той же экваториальной точкой. Охват практически полной поверхности планеты (кроме полюсов) достигается большим соотношением радиуса Земли и высоты орбиты, что позволяет использовать всего три геостационарных спутника. Главным недостатком геостационарных орбит выступают задержки передачи данных, возникающие из-за большого времени распространения сигнала.

● Среднеорбитальные — круговые орбиты высотой до 10 000 км.

Время видимости одного ретранслятора, находящегося на средней орбите, может составлять несколько часов, поэтому данной спутниковой группе достаточно 9−12 сателлитов весом до 1000 кг. Сигнал распространяется с задержкой около 130 м/с, позволяя использовать такие системы для радиотелефонной связи.

● Низкоорбитальные — высота круговой орбиты составляет 700−1500 км.

Низкоорбитальный спутник попадает в зону прямой видимости с конкретной точки земной поверхности на 8−12 минут. В связи с этим для поддержания непрерывной связи необходимо большое количество сателлитов (несколько десятков), взаимодействующих между собой посредством межспутниковой связи или станций сопряжения.

По зоне обслуживания и размещению подвижные спутниковые системы бывают:

● Глобальные, предоставляющие связь, которая охватывает всю территорию Земли (Iridium, GlobalStar, Inmarsat);

● Региональные, занимающие ограниченную территорию (SpaceGate, Thyraya);

● Зоновые, которые организуются внутри одной-двух областей (краев/республик).

Виды предоставляемых услуг делят подвижные спутниковые системы следующим образом:

1. Радиотелефонная связь

Применяет протоколы, осуществляющие цифровую передачу сообщений по стандартам спутниковой связи международного образца (реальный масштаб времени передачи данных, задержка сигнала не более 0.3 сек, отсутствие прерывания сеанса связи).

Для соответствия требованиям используется:

● Высокоточная система ориентации сателлитов с целью удержания антенного луча в заданном направлении;

● Количество спутников, достаточное для сплошного покрытия зоны обслуживания;

● Число многолучевых антенных систем, функционирующих с частотой выше 1.2 ГГц, которые имеют достаточное количество расположенных на земле шлюзовых станций.

2. Пакетная передача данных

Системы, осуществляющие пакетную передачу данных, поддерживают трансляцию любой цифровой информации: факсимильных, телексных сообщений, компьютерных данных и т. д. Требования к оперативности доставки в подобных системах отсутствуют, а скорость передачи варьируется от единиц до сотен Кб/сек.

3. Вычисление местоположения абонента

Производится путем работы системы GPS, которая чаще всего используется для определения координат движущихся объектов (морских судов, ж/д-, авиатранспорта), применяется системами радиолокации.

4. Сеть спутникового телевещания

Занимает практически всю материковую территорию, насчитывает множество телеканалов, способна охватить малонаселенные территории, где отсутствуют ретрансляционные вещательные сети.

В состав подвижной системы спутниковой связи входят:

● Космическая станция

Представлена спутниковым ретранслятором, состоящим из антенны, приемопередающего устройства, систем энергоснабжения, корректировки положения спутника на орбите, ориентации тарелок, солнечных батарей и т. д.

● Абонентские земные станции

Обеспечивают двунаправленный обмен информацией.

● Центральная земная станция

Контролирует режим работы спутникового ретранслятора, а также соблюдение земной станцией параметров, важных для работы спутниковой системы (несущей частоты, мощности, типа поляризации, характеристик сигнала модуляции и т. д.)

● ЦЗС — центральная земная станция, координирующая систему управления и контролирующая сателлит

Контролирует управление размещенными на спутнике техническими средствами, а также состояние последних.

● Наземные соединительные линии

Отвечают за подключение станции к потребителям и источникам транслируемой информации.

● Центр управления (ЦУП) спутниковой системой

Руководит эксплуатацией спутниковой системы, а также ее развитием.

Подвижные спутниковые системы обладают рядом преимуществ:

● Обеспечение постоянного покрытия радиосигналами для сервисных зон;

● Предоставление пользователям бесперебойной связи при отсутствии помех;

● Поддержка связи в труднодоступных и удаленных локациях;

● Мобильность;

● Оперативное развертывание.

Недостатками данных систем выступают:

● Нестабильность связи при наличии помех (высокие здания, деревья, пересеченный рельеф местности и т. д.);

● Наличие широтных ограничений у сервисных зон, привязанных к геостационарным аппаратам, что делает практически невозможной связь там, где значение широты выше 70º;

● Зависимость от исправной работы обслуживающего определенный сектор космического аппарата.

В пределах территории, которую охватывает сеть, устанавливается несколько базовых станций, каждая из которых обладает небольшой зоной действия. Вместе с этим зоны соседних станций взаимодействуют, несколько перекрывая одна другую для обеспечения возможности перехода абонента из одной зоны в другую без потери связи. Полное покрытие конкретной территории подразумевает наличие минимум трех различных частот для того, чтобы зоны обслуживания станций, расположенных в виде треугольника, могли перекрывать друг друга. Подобный подход создает шестиугольную форму зоны действия базовой станции, а расположение этих зон повторяет форму пчелиных сот, что объясняет название системы, построенной по данному принципу.

Функционирование сотовой связи строится на работе нескольких подвижных базовых станций операторов. Для бесшовного переключения сигнала станции устанавливаются таким образом, чтобы перекрывать друг друга, образуя сеть, имеющую форму шестиугольной соты.

Подвижную спутниковую связь путем ретрансляции сигнала обеспечивают искусственные орбитальные сателлиты. Так как покрытие спутника распространяется по большей части земной поверхности, наличие множества станций для работы не требуется.

Существует несколько популярных, широко используемых систем мобильной спутниковой связи:

Широкополосная спутниковая низкоорбитальная коммуникационная система, занимающая две частотных полосы по 500 МГц в Ka-диапазоне (20−30 ГГц).

Система включает 228 связанных в единую сеть спутников, расположенных на 12 орбитах. Система поддерживает двунаправленную скорость 500 мегабит/сек в пределах зоны, радиус которой составляет 100 км.

Особенностью данной системы выступает совместное использование геостационарных и низкоорбитальных спутников. Первые осуществляют региональную трансляцию, вторые — глобальную.

Группировка низкоорбитальных спутников, насчитывает 63 сателлита, находящихся на 7 орбитах. Высота орбиты составляет 1400 км, период обращения — 1.9 часа, наклонение — 48º. Геостационарная группировка состоит из 9 сателлитов, формирующих по 4 широких и 84 узких луча каждый.

Гибридная система, состоящая из 17 спутников, функционирующих на средних и низких орбитах.

Группировка спутников разделена на две части: Ellipso-Concordia и Ellipso-Boreal. Первая обслуживает южное полушарие до 47º южной широты, вторая — северное. У Ellipso-Boreal на эллиптических орбитах находится 10 спутников. Ellipso-Concordia состоит из 6 сателлитов, расположенных на экваториальных круговых орбитах, высота которых составляет 8040 км.

Особенность системы заключается в том, что при запросе абонента первоначально делается попытка соединения через локальную сотовую сеть. Если это невозможно, сигнал отправляется на спутник, далее — к узловой станции, после — в местные телекоммуникационные сети. Таким образом, система выступает дополнением к традиционным методам связи.

Globalstar включает 56 спутников, базирующихся на 8 орбитах (6 сателлитов на орбите рабочие, один — резервный). Наклонение орбиты составляет 52º, высота — 1414 км. Минимальный срок эксплуатации каждого спутника — 7,5 лет, масса каждого — 450 кг.

Группа спутников насчитывает 64 находящихся на низких орбитах сателлита, обеспечивая пользователей услугами мультимедиа. Каждый сателлит образует 45 лучей, а каждый из лучей обслуживает область, радиус которой составляет 350 км. Минимальный срок службы спутника массой 800 кг составляет 8 лет.

Система следит за движущимися объектами, автоматически собирает информацию, поддерживает персональную и корпоративную связь. Сателлиты базируются на орбите, высота которой — 825 км. Передача данных от Земли к спутнику происходит на частотах 136−138 МГц, а также 400 МГц, обратно — 148−150 МГц.

Предоставляет пользователям широкий спектр услуг от телефонной связи до передачи различных типов данных. Спутниковая группировка состоит из 14 сателлитов (включая Инмарсат-3), расположенных на геостационарной орбите, удаленной от Земли на 35 786 км. Основная часть потока информации обрабатывается спутниками 4 и 5 поколений, постепенно вытесняя Инмарсат-3. Система широко применяется для оснащения морского транспорта.

Глобальная сеть, охватывающая 100% земной поверхности, включая северный и южный полюс. Группировка насчитывает 75 спутников (66 основных и 9 резервных), находящихся на низких орбитах, имеющих высоту 780 км, наклонение 86,5°.

Цифровизация выступает неотъемлемой частью международного рынка спутниковых коммуникаций, однако пандемия COVID-19 негативно повлияла на обеспечение гражданского флота качественной связью и интернетом, поскольку в конце 2019 года года Минкомсвязи ограничило ввоз в страну необходимой аппаратуры. Исключение сделали только для операторов, имеющих лицензию, позволяющую оказывать услуги подвижной спутниковой связи, что привело к уходу с рынка множества компаний, ранее осуществлявших поставки оборудования для флота. Также под запрет попала технология VSAT, а это означает полное отсутствие интернета для морских судов, кроме вновь строящихся по госконтрактам. Вышеперечисленные проблемы могут «затормозить» цифровизацию отечественной морской отрасли и привести к отставанию морских коммерческих перевозок на мировом рынке.

Подвижные спутниковые системы были определены Международным союзом электросвязи как спутниковый сегмент подвижной службы III поколения IMT-2000. Стратегия дальнейшего развития предполагает создание Дополнительной наземной составляющей — фиксированной части системы, включающей наземные станции, которая используется для улучшения доступности подвижных спутниковых сетей там, где спутниковые станции не способны обеспечить необходимое качество. Работа абонентских устройств, расположенных в зоне покрытия базовых станций, будет вестись с наземной частью, а при выходе из нее переходить к взаимодействию со спутником, используя одну и ту же, распределенную для подвижных спутниковых систем, полосу частот. Сегмент IMT-2000 также должен будет обеспечить опорные сети, фидерные линии и «горячий» резерв, который требуется при перегрузке наземной сети или аварии.