Спутниковая связь: основные понятия, виды, назначение

В 1945 году Артур Кларк — английский изобретатель, писатель, ученый — предложил создание системы расположенных на геостационарной орбите спутников, которые бы способствовали организации глобальной системы связи, однако изобретение так и не было им запатентовано.

Необходимость создания глобальной телефонной связи подтолкнула страны Запада, а также США к проведению первых исследований в области спутниковой связи, которые начали осуществляться во второй половине 50‑х годов.

Первый искусственный спутник Земли, оснащенный радиоаппаратурой, был запущен в СССР в 1957 году, а 12 августа 1960 года службы США вывели на орбиту высотой 1500 км космический аппарат «Эхо-1», выполнявший роль пассивного ретранслятора.

Первый активный спутник «Телстар», который транслировал одну телепрограмму или поддерживал двустороннюю телефонную связь по 60 каналам, был запущен 10 июля 1962 года.

Договор о создании международной организации Intelsat по вопросам спутниковой связи был подписан 11-ю странами 20 августа 1964 года без участия СССР, к тому времени имевшего собственную успешную программу реализации спутниковой связи для Министерства Обороны. Гражданская связь начала развиваться здесь только с 1971 года.

Первый спутник коммерческого назначения Early Bird корпорации COMSAT, который мог обеспечить уже до 240 каналов связи, был запущен на орбиту 6 апреля 1965 года. Он обладал полосой пропускания, равной 50 МГц, а созданный позднее Intelsat IX — 3456 МГц.

Развитие спутниковых технологий началось с использования простых отражателей радиосигнала — пассивных ретрансляторов. Подобные спутники, представленные металлическими сферами без приемопередающего оборудования, не получили распространения в отличие от современных активных ретрансляторов. Последние оснащены специальной аппаратурой, которая осуществляет прием, обработку, усиление сигнала с дальнейшей ретрансляцией.

Ретрансляторы делятся на:

● Нерегенеративные

Принимают сигнал от одной Земной станции, переводят его в другую частоту, затем усиливают, а после — транслируют другой расположенной на Земле станции. Нерегенеративные спутники используют несколько транспондеров (автономных каналов), каждый из которых работает с конкретной частью спектра.

● Регенеративные

Дополнительное свойство данного вида спутников — демодуляция принятого сигнала с последующей новой модуляцией, что обеспечивает двойное исправление ошибок, возникающих при передаче. Контроль производится на спутнике, а затем ошибки устраняет Земная станция. Минусами метода выступают сложность и увеличенное время задержки сигнала.

Орбиты для размещения спутниковых ретрансляторов классифицируются как:

1. Экваториальные (наклонение равно 0º)

Орбита, где расположены спутники-ретрансляторы, носит название геостационарной и выступает разновидностью экваториальной орбиты. Здесь спутник совершает вращение с угловой скоростью, эквивалентной скорости вращения Земли, в направлении, которое не отличается от направления вращения планеты.

Достоинства геостационарной орбиты:

● Приемное устройство, расположенное в зоне обслуживания, постоянно «видит» спутник в одной и той же точке;

● Ограниченная емкость, не позволяющая разместить все желаемые спутники;

● Большая высота (35 786 м), приводящая к значительным затратам при выведении на нее спутника, а также задержкам при передаче данных;

● Невозможность обслуживания спутниками приполярных Земных станций из-за падения плотности потока мощности в точке приема сигнала по направлению от экватора к полюсам.

2. Наклонные (наклонение, отличное от 0º)

Позволяют устранить недостатки, характерные для геостационарной орбиты, но требуют запуска не менее трех спутников на одну орбиту из‑за перемещения последних относительно наземного наблюдения для обеспечения постоянного доступа к связи.

3. Полярные (наклонение составляет 90º)

Предельный вариант наклонной орбиты, подразумевающий оборудование Земных станций системами слежения, применяемыми для наведения антенны на спутник и его дальнейшее сопровождение.

Множество спутников находится на наклонных или полярных орбитах, где стоимость вывода на них спутника ниже, а передатчику не нужна высокая мощность, однако такой способ требует как большого количества спутников, так и множества наземных коммутаторов.

Часть земной поверхности (или зоны видимости), которая может обеспечить уровень спутниковых сигналов, необходимый для их качественного приема, носит название зоны покрытия.

Данная характеристика зависит от количества, позиции, мощности передачи, диапазона работы спутников, а также диаграммы направленности транспондеров. Для обеспечения зоны бесперебойного приема компаниями используется несколько спутников.

Наибольшее покрытие — 66 спутников — предоставляет Iridium, 48 сателлитов — GlobalStar.

Используемые для осуществления спутниковой связи частоты разделяют на несколько диапазонов:

Используется в фиксированной спутниковой связи с частотой 4−6 ГГц. Обеспечивает высокую мощность передачи для широких географических зон. Прием требует большого количества дополнительного наземного оборудования.

Также применяется для фиксированной спутниковой связи, вещания, работает на частотах 11−14 ГГц. Используется для меньших географических областей, чем диапазон С, сохраняя высокую мощность передачи без необходимости использования многочисленного стороннего оборудования.

Частота, с которой производится работа в данном диапазоне, составляет 1.5 ГГц. Незаменим для подвижной спутниковой связи, используется на судах, в авиации с применением различных типов наземного оборудования.

Частотный спектр диапазона простирается от 26.5 до 40 ГГц. Используется в системах радиолокации, спутниковой связи, дорожных радарах ДПС. Разделен на три поддиапазона, определяющих разделение Ku-конвертеров по типам.

Диапазон частот 2−4 ГГц, применяемый для РЛС, цифрового радио, спутниковых систем связи, мобильных телекоммуникаций, поддержки космических аппаратов. Представлен несколькими поддиапазонами, имеющими различия согласно региону вещания.

Частотный диапазон занимает полосу от 8 до 12 ГГц. Одна его часть используется для фиксированной правительственной, а также военной спутниковой связи, часть занята дальней космической связью. Широко распространен в радиолокации.

Существует на частотах от 18 до 26.5 ГГц. Применяется в радиолокации, спутниковой, военной связи. Использование диапазона для нужд радиосвязи ограничено из-за наличия высокой степени поглощения радиоволн образующимся в атмосфере водяным паром.

Для трансляции данных по спутниковому каналу связи требуется их предварительное преобразование в радиосигнал конкретного диапазона частот, для чего применяется метод модуляции. Последний подразумевает процесс изменения параметров несущего сигнала с помощью специального модулирующего сигнала. Он усиливается на наземной станции, доводится до нужной частоты, а затем поступает к передающей тарелке. Спутник принимает сигнал, затем усиливает его, изменяя до необходимой частоты с дальнейшей трансляцией на землю.

Помехоустойчивость достигается путем использования специального обнаруживающего и корректирующего ошибки кода. При этом во время передачи к к полезным данным добавляется избыточная информация, которая структурирована специальным образом, а при приеме она используется для обнаружения и последующего исправления ошибок.

Системы множественного доступа используются с целью обеспечения одновременного применения спутникового ретранслятора множеством пользователей.

Существует три вида подобного доступа:

● С частотным разделением — предоставление каждому пользователю отдельного частотного диапазона;

● С временным разделением — у каждого абонента имеется конкретный временной интервал, когда производится прием и передача данных;

● С кодовым разделением — каждому клиенту дается кодовая последовательность, обладающая ортогональностью по отношению к подобным последовательностям других пользователей. При этом сигналы других абонентов на одних и тех же частотах не мешают друг другу.

Спутниковая связь представлена четырьмя этапами передачи:

1. Трансляция сигнала на спутник при помощи земной станции или другого наземного оборудования;

2. Усиление сигнала и изменение частоты спутником;

3. Обратная передача сигнала спутником на Землю;

4. Получение сигнала наземным оборудованием.

Существуют следующие виды спутников, представленные тремя типами служб:

Применение наземного оборудования осуществляется в специально отведенных местах для приема и трансляции сигналов. Сателлиты FSS поддерживают множество услуг — от международного интернет‑соединения до частных корпоративных сетей.

Предоставляют услуги связи морским, авиационным, сухопутным подвижным системам при участии различных приемных, передающих переносных устройств.

Обеспечивают высокую мощность передачи для приема, используя малое количество наземного оборудования. Применяются для телевидения, а также широкополосных приложений, например, DIRECTIV.

Главным достоинством спутниковой связи выступает возможность осуществления связи по всему миру. Существующие спутниковые сети предоставляют надежную связь, различаясь областью покрытия, набором дополнительных услуг, стоимостью услуг связи и оборудования.

Данный вид связи имеет такие недостатки, как:

Обусловлена большими расстояниями между спутником и Земными станциями, а также небольшим соотношением сигнал/шум на приемнике. Для обеспечения малой вероятности ошибки используются антенны большого диаметра, малошумящие компоненты, помехоустойчивые коды.

Атмосфера способна поглощать спутниковый сигнал в зависимости от его частоты, а эффект замирания (рассеивания радиоволн) вызывает разница коэффициентов преломления разных атмосферных слоев.

Ионосферные эффекты, к которым относят мерцание, задержку распространения, поглощение, дисперсию, вращение поляризационной плоскости, изменение частоты, возникают из-за колебаний распределения свободных электронов.

Наибольшая задержка сигнала характерна для спутниковых систем, которые используют ретранслятор на геостационарной орбите. При этом время общей задержки может занимать до 400 м/с, что может плохо отразиться на использовании приложений, работающих в режиме онлайн.

Искажение принимаемого Земной станцией сигнала происходит под влиянием интерференции в то время, когда Солнце приближается к оси «спутник-станция».

К ослаблению сигнала может привести наличие на его пути естественных преград — высоких деревьев, зданий, особенностей рельефа (например, горного массива).

Спутниковые технологии требуют больших затрат на покупку оборудования, монтаж, услуги связи. Это объясняется высокой стоимостью подъема на орбиту, ввода в эксплуатацию, обслуживания спутников.

Спутниковые системы связи применяются среди различных отраслей:

Изначально использовалась для передачи больших объемов информации, но по мере совершенствования волоконно-оптических сетей постепенно была вытеснена с рынка.

VSAT-системы (терминалы с маленькой апертурой) отличаются невысокой пропускной способностью канала, а также скоростью, которая редко превышает 2048 кбит/с. Работая на частотах диапазона C, такие терминалы используют антенны диаметром 1.8−2.4 м. Диапазон Ku предполагает участие тарелок 0.85−1.8 м.

VSAT используются небольшими организациями, оснащены технологией, предоставляющей каналы по требованию.

Мобильная спутниковая связь обеспечивает передачу видео, интернет‑доступ, телефонию в труднодоступных локациях и сложных условиях.

Спутниковая связь используется для построения канала связи между провайдером и абонентом в местах с недостаточно развитой инфраструктурой по стандарту вещания DVB, что позволяет использовать одну и ту же аппаратуру для приема спутникового ТВ и доступа к сети.

Высота, на которой располагается геостационарная орбита, позволяет спутнику двигаться со скоростью перемещения Земли, что делает его неподвижным относительно поверхности планеты при наблюдении, обеспечивая тем самым стационарную платформу, используемую для непрерывной ретрансляции сигналов.

Низкая околоземная орбита уменьшает задержку, которая возникает во время трансляции сигнала между спутником и Землей. Это свойство используется для обеспечения глобальных услуг мобильной связи, где во время двусторонней связи задержки сигнала не допускаются.