Спутниковые системы связи

Савочкин А.А.
СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ
СВЯЗИ
Учебное пособие
Рекомендовано кафедрой радиотехники и телекоммуникаций
СевНТУ
Севастополь
2012
2
ГЛАВА 1
ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ СВЯЗИ, ВЕЩАНИЯ
И НАВИГАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ИСКУССТВЕННЫЕ
СПУТНИКИ ЗЕМЛИ
1.1. Службы спутниковой связи, вещания и навигации
В современных системах связи, вещания или навигации искусственные
спутники Земли (ИСЗ) исполняют роль ретрансляционной радиостанции.
Принцип использования ИСЗ для ретрансляции наиболее наглядно может
быть рассмотрен на примере системы связи.
На рисунке 1.1. изображена упрощенная структура системы спутниковой
связи (ССС) и введены следующие обозначения: А и Б – наземные пункты,
между которыми устанавливается связь; прямые АА' и ББ' – касательные к
поверхности Земли, в точках А и Б являются линиями горизонта этих пунктов. Из рисунка видно, что ИСЗ, движущийся по орбите, одновременно может наблюдаться в пунктах А и Б только на участке орбиты А'–Б'. При движении на этом участке электромагнитные колебания, излучаемые антенной
системой пункта А в направлении ИСЗ, принимаются бортовой радиоаппаратурой спутника, а затем после обработки и усиления направляются в сторону
Земли и могут быть приняты в пункте Б.
Б′
А
ИСЗ
А′
Б
Рисунок 1.1 – Принцип организации связи через ИСЗ
Система радиосвязи при наличии бортовой аппаратуры называется системой с активной ретрансляцией сигнала или системой с активным спутником. Система с активной ретрансляцией сигнала в зависимости от высоты
орбиты и расстояния между корреспондентами может быть выполнена как
система с мгновенной ретрансляцией (система в реальном масштабе време-
3
ни) и как система с задержанной ретрансляцией. При передаче одинаковых
по объему сообщений, например, при передаче программы телевидения, система с задержанной ретрансляцией будет иметь более сложный комплекс
бортового оборудования, чем система с мгновенной ретрансляцией, так как в
последней не нужна аппаратура памяти.
Понятно, что возможны ситуации, когда использование одного ИСЗ будет явно недостаточно для покрытия необходимой зоны обслуживания на
поверхности Земли. Обеспечение длительной непрерывной связи при невысоких орбитах ИСЗ также требует увеличения количества спутников. Совокупность ИСЗ, снабженных соответствующей аппаратурой, или космическая
группировка образует космический сегмент системы, масштабы которого
определяются назначением системы связи, вещания или навигации.
Наземная часть системы объединяет всю совокупность наземных сооружений и оборудования, и состоит из наземного сегмента управления и пользовательского сегмента. Наземный сегмент управления решает задачу передачи и коммутации информационных потоков, но чаще функции управления
и передачи решаются отдельными составляющими наземного сегмента. Для
этого сооружаются специальные земные шлюзы и станции управления.
Номенклатура пользовательского сегмента широка и включает: переносные терминалы пользователя (например, для системы "Iridium"); быстро
разворачиваемые в рабочее положение (типа станций "Inmarsat"); устанавливаемые на транспортных средствах, судах, самолетах; стационарные для индивидуального или коллективного приема телевизионного вещания; корпоративные базовые станции для доступа в Internet и многие другие варианты.
В любом случае назначение системы, использующей ИСЗ, определяется
принадлежностью системы к конкретной радиослужбе. В настоящее время
сохраняется деление служб связи, введенное Регламентом Радиосвязи. Однако в силу ряда причин (как технических, так и исторических) оно уже не в
полной мере соответствует реальной структуре современных спутниковых
систем. Процесс персонализации (т.е. максимального приближения средств
связи к конечному пользователю) привел к тому, что границы между традиционными службами постепенно начали стираться. Например, персональные
наземные станции удаленных пользователей, работающие в СВЧ диапазоне,
формально относятся к классу фиксированной спутниковой службы, но по
своему назначению и выполняемым функциям они ближе всего к подвижной
спутниковой службе.
1.1.1. Фиксированная спутниковая служба
Системы фиксированной спутниковой службы (ФСС) предназначены
для обеспечения связи между стационарными пользователями. Первоначаль-
4
но они разворачивались исключительно для организации магистралей большой протяженности и региональной (зоновой) связи. Такие системы на базе
терминалов типа VSAT (Very Small Aperture Terminal) используются в сетях
электронной коммерции, обмена банковской информацией, торговых складов
и др. Кроме того, в системах ФСС все чаще применяется оборудование персональной связи и интерактивного обмена информацией (в том числе через
Internet). Для систем ФСС выделены следующие диапазоны частот: C (4 / 6
ГГц), Ku (11 / 14 ГГц) и Ka (20 / 30 ГГц).
Диапазоны C и Ku применяются также для организации систем спутникового телевизионного вещания (СТВ) в рамках ФСС. При этом используются геостационарные ИСЗ на совместной основе (как для систем спутниковой
связи, так и для систем СТВ, например, ИСЗ серий "Intelsat"), и целевые ИСЗ
для систем СТВ, в которых все или большинство стволов заняты ТВ информацией (например, ИСЗ серии "Astra"). Системы СТВ являются одновременно системами спутникового радиовещания (СРВ), поскольку часть стволов
используется для передачи только сигналов радиовещательных программ
(потребитель принимает только сигнал звукового сопровождения на поднесущей частоте в полосе ТВ канала).
К разряду ФСС относят также связь по фидерным линиям, которые
формируют высокоскоростные каналы между наземными станциями (центральными, сопряжения и др.). Эти каналы работают в тех же диапазонах
частот. Услуги ФСС предоставляют пять крупных международных организаций и около 50 региональных и национальных компаний. К наиболее значительным коммерческим системам фиксированной связи относятся "Intelsat",
"Интерспутник", "Eutelsat", "Arabsat" и "AsiaSat".
Среди них бесспорным лидером является международная система
"Intelsat", орбитальная группировка которой охватывает четыре основных
региона обслуживания - Атлантический (AOR), Индийский (IOR), АзиатскоТихоокеанский (ATR) и Тихоокеанский (POR). За 30 лет существования системы "Intelsat" создано 8 поколений спутников, из которых каждое последующее существенно превосходит предыдущее. В настоящее время услуги
"Intelsat" обеспечивают спутники четырех последних поколений (серий
"Intelsat-5, -6, -7/7A, -8"). Пропускная способность этих КА составляет от 12
до 35 тыс. телефонных каналов, т.е. через 25 спутников системы "Intelsat"
передаются примерно две трети международного телефонного трафика. Наземный сегмент включает в себя около 800 крупных станций, размещенных в
170 странах мира.
Международная организация "Интерспутник" в настоящее время использует российский космический сегмент (он состоит из КА типов "Горизонт" и "Экспресс"), арендуя около 30 ретрансляторов на 8 КА. В 1999 г. за-
5
пущен КА нового поколения (LMI), что обеспечит обслуживание ЕвроАзиатского региона (75° в.д.), Америки (83° з.д.), Евро-Африканского (3°
в.д.) и Азиатско-Тихоокеанского (130° в.д.) регионов.
Серьезную конкуренцию системам "Intelsat" и "Интерспутник" составляют международные коммерческие спутниковые системы "PanAmSat" и
"Orion", которые обеспечивает непрерывное покрытие основных регионов
Земного шара. К наиболее крупным региональным системам относятся
"Eutelsat" (Европа и Северная Африка), "Apstar", "Asiasat", "Optus", "Palapa"
(Aзиатско-Тихоокенский регион) и "Arabsat" (Арабские страны).
1.1.2. Подвижная спутниковая служба
Системы подвижной спутниковой службы (ПСС) появились около 30
лет назад (первая глобальная система мобильной радиотелефонной связи и
геостационарный ИСЗ "Marisat" разработаны компанией "Comsat" в середине
70-х гг.), т. е. значительно позднее, чем системы ФСС. Причиной тому были
низкая энерговооруженность подвижных объектов и более сложные условия
их эксплуатации (влияние рельефа местности, ограничения по размерам антенн и др.).
Обычные стационарные наземные станции обеспечивают устойчивую
связь при рабочих углах радиовидимости даже 5°, а надежную связь для подвижных абонентов можно гарантировать лишь при значительно более высоких значениях углов радиовидимости. Большие углы радиовидимости КА
позволяют снизить энергетический запас радиолинии, предназначенный для
компенсации потерь, которые обуславливаются замиранием при распространении радиоволн в ближней зоне со сложным рельефом местности.
Первоначально мобильные наземные станции разрабатывались как системы специального назначения (морские, воздушные, автомобильные и железнодорожные) и были ориентированы на ограниченное число пользователей. Мобильные спутниковые системы связи первого поколения строились с
использованием геостационарных КА с прямыми (прозрачными) ретрансляторами и имели низкую пропускную способность. Для передачи информации
применялись аналоговые методы модуляции.
Подсистемы ПСС создавались в основном для сетей, имеющих радиальную или радиально-узловую структуру с большими центральной и базовыми станциями, которые обеспечивали работу с подвижными наземными
станциями. Потоки в сетях с предоставлением каналов по требованию были
невелики, поэтому в них применялись преимущественно одно- или малоканальные наземные станции. Обычно такие сети предназначались для создания ведомственных и корпоративных сетей связи с удаленными и подвижными объектами (судами, самолетами, автомобилями и т. д.), для организа-
6
ции связи в государственных структурах, в районах бедствия и при чрезвычайных ситуациях. Качественный скачок в развитии ПСС произошел не
только в связи с внедрением цифровых методов передачи речи и данных, но
и благодаря появлению первых проектов спутниковых систем на базе КА на
негеостационарных орбитах (низких круговых и средневысотных). Орбиты
таких спутников близки к поверхности Земли, что дает возможность использовать вместо традиционных наземных станций дешевые малогабаритные
терминалы и небольшие антенны. Применение низко- и среднеорбитальных
группировок не только позволяет решить проблему перегруженности геостационарных орбит, но и существенно расширяет сферу телекоммуникационных услуг спутниковых сетей, обеспечивая пользователей глобальной персональной связью с помощью терминала "телефонная трубка".
Сейчас в мире насчитывается более 30 национальных и международных
(региональных и глобальных) проектов, использующих КА на низких орбитах. Наиболее известны "Globalstar", "Iridium", а также российские "Гонец" и
"Сигнал".
Однако переход на низкоорбитальные системы нельзя считать генеральной тенденцией развития мобильной спутниковой связи. Столь же важным
фактором в эволюции соответствующих систем станет освоение средних высот. И здесь особо интересны планы развертывания систем связи на средних
(ICO) и эллиптических (Ellipso) орбитах. Правда, несмотря на все достоинства последних, традиционные системы, использующие КА на геостационарных орбитах, не собираются сдавать свои позиции, о чем говорят последние
разработки, например, для "Inmarsat" и "Intelsat".
Регламентом радиосвязи для систем ПСС выделены диапазоны частот
до 1 ГГц, а также полосы частот в диапазонах L (1,5/1,6 ГГц) и S (1,9/2,2 и
2,4/ 2,5 ГГц). В перспективе разработчики систем ПСС намерены использовать более высокочастотные диапазоны Ka (20/30 ГГц) и EHF (40…50 ГГц).
В настоящее время сохраняется деление систем ПСС по видам передаваемой информации на сети радиотелефонной связи ("Inmarsat-A, -B и -M",
"AMSC", "MSAT", "Optus", "AceS") и системы передачи данных ("InmarsatC", "Omnitracs", "Euteltracs", "Prodat").
Особое место в системах передачи данных занимают сети на базе спутников, называемых little LEO, которые предназначены для передачи данных
со скоростью от 1,2 до 9,6 Кбит/с. Их отличительными особенностями являются используемый диапазон частот (до 1 ГГц) и легкие КА (50…250 кг).
Кроме того, к бортовой аппаратуре little LEO не предъявляются жесткие требования по времени доставки сообщений.
Чтобы осуществить передачу данных, достаточно одного спутника с
электронным "почтовым ящиком" на борту. С каждым следующим витком он
7
будет появляться над новым районом Земного шара, обеспечивая глобальное
покрытие. Однако качество такого обслуживания будет определяться количеством КА в системе: для передачи данных в режиме электронной почты необходимы от 6 до 48 КА.
Системы группы little LEO ориентированы на глобальный мониторинг
перевозки грузов со сквозным контролем от пункта загрузки до пункта назначения. Они могут определять географические координаты подвижных
объектов (долгота, широта, универсальное время, UTС), осуществлять сбор
данных об окружающей среде, а также обеспечивать связь с подвижными
объектами (судно, автомобиль, вагон, самолет), в том числе двусторонний
обмен данными. В настоящее время развернуты орбитальные группировки
двух таких систем – "Orbcomm" (США) и "Гонец-Д1" (Россия).
1.1.3. Радиовещательная спутниковая служба
Радиовещательная спутниковая служба (РСС) предназначена для приема телевизионных и радиовещательных программ и является главной службой систем спутникового непосредственного телевизионного вещания (СНТВ
или НТВ) и спутникового непосредственного радиовещания (СНРВ).
В настоящее время все системы телерадиовещания строятся на базе геостационарных спутников. В этой области телекоммуникаций, где основное
требование к системе - сплошное покрытие обслуживаемых территорий, преимущества спутниковых систем перед другими средствами связи проявляются в наибольшей степени.
Одним из важных направлений развития телерадиовещания является
интерактивное телевидение, которое позволяет удовлетворить индивидуальные запросы пользователей путем трансляции по спутниковым каналам заказных телепрограмм, а также предоставления возможностей интерактивного
обмена в процессе телепередач. В таком случае пользователь из пассивного
потребителя вещательной информации превращается в активного участника
программы.
Еще одно перспективное направление - прямое спутниковое вещание на
компьютеры (служба "Direct PC"), позволяющее передавать по радиоканалам
телевизионные изображения со скоростью до 30 Мбит/с и информацию
Internet со скоростью порядка 400 Кбит/с.
1.1.4. Персональная спутниковая служба
Персональная связь обеспечивается многими спутниковыми системами как геостационарными, так и с КА на более близких орбитах. Системы big
LEO ориентированы на предоставление персональной радиотелефонной и
пейджинговой связи в глобальном масштабе. Общей тенденцией развития
8
таких систем является объединение в общую сеть радиотелефонных спутниковых и сотовых сетей различных стандартов (GSM, AMPS, CDMA и др.), а
также предоставление максимально возможного набора услуг (передача данных, телексов, факсимильных сообщений, определение местоположения и
пр.).
Обслуживание абонентов этих сетей осуществляется в масштабе реального времени, что достигается за счет применения корректируемых орбитальных группировок из 48-66 спутников. Для связи с абонентами используются L- и S-диапазоны частот. Масса спутников составляет 300…700 кг. Реальная пропускная способность аппаратуры стволов КА, как правило, не превышает 1200 эквивалентных телефонных каналов (пропускная способность
одного эквивалентного телефонного канала - 2,4 Кбит/с). К системам big
LEO относятся сети "Iridium" и "Globalstar".
Системы с КА на средневысотных орбитах (MEO) являются одним из
основных конкурентов сетей класса big LEO. Они ориентированы на один и
тот же рынок услуг - глобальную радиотелефонную и пейджинговую связь.
Однако если для обеспечения глобальной связи в системах big LEO без межспутниковых линий требуются 150…210 наземных станций сопряжения
(Globalstar), то в системах MEO достаточно 10…12 станций. Пропускная
способность систем данного класса эквивалентна 3…4,5 тыс. телефонных
каналов со скоростью передачи 2,4 Кбит/с, что выше, чем в известных низкоорбитальных системах.
1.1.5. Спутниковая служба радиоопределения
Спутниковая служба радиоопределения (ССРО) включает спутниковую
радионавигационную службу, которая позволяет пользователю по сигналам
ИСЗ определить свои координаты на поверхности Земли или в околоземном
пространстве.
Для решения этих задач сегодня используются несколько десятков различных спутниковых глобальных и локальных радионавигационных систем.
Наиболее значимыми из глобальных систем являются "Navstar" и "Глонасс".
Их орбитальные группировки включают по 24 спутника на наклонных круговых орбитах высотой 20 тыс. км. Орбиты ИСЗ синхронизированы таким образом, что в зоне видимости пользователя одновременно находятся не менее
трех спутников. Передача навигационных сигналов производится ИСЗ в двух
диапазонах частот 1,55…1,61 ГГц и 1,22…1,28 ГГц. Точность определения
координат по этим сигналам достигает несколько десятков метров. Другой
важной задачей службы радиоопределения является обнаружение судов и
самолетов, терпящих бедствие. В этой области наиболее распространенной
сегодня является международная система "Коспас-Sarsat". При включении
9
аварийного радиомаяка его сигналы принимаются низкоорбитальными спутниками системы, запоминаются на борту и ретранслируются на наземные
станции приема и обработки информации. Точность определения координат
по сигналам аварийного радиомаяка в диапазоне 406 МГц составляет около 5
км. Как правило, современные системы ССРО используют полосы частот
ниже 40 ГГц и негеостационарные спутники.
1.2. Классификация орбит ИСЗ и их параметры
1.2.1. Параметры орбит ИСЗ
Как известно, в общем случае любой спутник движется по эллиптической орбите. Эллипсом является геометрическое место точек, для которых
сумма расстояний до двух заданных фокусов F1 и F2 есть величина постоянная, равная длине большой оси эллипса:
2а = r1 + r2 .
(1.1)
Фокусы F1 и F2 лежат на большой оси эллипса (рисунок 1.2,а) по обе
стороны от центра на расстоянии
2
2
с= а +b .
(1.2)
Форма эллипса характеризуется эксцентриситетом э = с/а . Для эллипса э < 1. При эксцентриситете, равном нулю, эллипс превращается в окружность. Расстояние от точки М на эллипсе до первого фокуса F1 выражается
формулой:
r1 = МF1 = а − э х .
(1.3)
Орбита ИСЗ (рисунок 1.2,б) без возмущений представляет собой эллипс,
один из фокусов которого совпадает с центром масс Земли. Наиболее близко
расположенная точка пересечения фокальной оси с эллиптической орбитой
называется перигеем (П), а наиболее удаленная – апогеем (А).
Положение ИСЗ на орбите относительно Земли может быть определено
y
M
c
r1
r2
x
2b
а)
F2
2c
2a
А
П
F2
F1
б)
hA
2RЗ hП
Рисунок 1.2 – Параметры эллипса (а) и эллиптической орбиты (б)
10
шестью кеплеровскими элементами, два из которых характеризуют размеры
и форму орбиты, три – ориентацию орбиты и направление движения ИСЗ, а
шестой – положение спутника на орбите. Этими шестью элементами являются:
• большая полуось орбиты;
• эксцентриситет орбиты;
• наклонение плоскости орбиты относительно плоскости экватора;
• долгота восходящего узла орбиты;
• аргумент перигея;
• время прохождения спутника через перигей.
На рисунке 1.3 изображена эллиптическая орбита ИСЗ в абсолютной
геоцентрической (экваториальной) системе координат. Начало системы совмещено с центром Земли. Ось ОZ направлена вдоль оси вращения Земли в
сторону северного полюса. Ось ОХ лежит в экваториальной плоскости и направлена в точку весеннего равноденствия. Ось ОУ дополняет декартову
правую систему координат.
11
Большая полуось орбиты а вычисляется по формуле (1.1) и характеризует среднее удаление движущегося ИСЗ от центра Земли. Большая ось орбиты проходит через центр Земли и соединяет точки апогея и перигея.
Эксцентриситет орбиты э – отношение расстояния между фокусами к
большой оси, э = с/а характеризует форму орбиты. Для орбит ИСЗ э ≤ 1.
Эксцентриситет орбит спутников радиосвязи, как правило, не превышает 0,5.
При э = 0 орбита является круговой, для которой высоты апогея и перигея
равны. По круговой орбите ИСЗ движется с постоянной скоростью. При движении по эллиптической орбите скорость движения спутника изменяется,
достигая максимума в области перигея и минимума – в области апогея.
z
ИСЗ
П
ω
Ω
y
i
А
х
ВУ
Ω
- долгота восходящего узла (ВУ); i - наклонение орбиты;
ω - аргумент перигея; П - перигей; А - апогей
Рисунок 1.3 - Элементы орбиты ИСЗ в пространстве
Наклонение орбиты i – двугранный угол между плоскостью орбиты и
плоскостью экватора, отсчитываемый от плоскости экватора против хода
часовой стрелки для наблюдателя, находящегося в точке восходящего узла
(ВУ). Восходящим узлом называют точку, в которой ИСЗ переходит из южного полушария в северное. Противоположная точка называется нисходящим
12
узлом. По наклонению орбиты делятся на экваториальные (i ≈ 0°), наклонные
( 0° ≤ i ≤ 90°) и полярные
(i ≈ 90°).
Долгота восходящего узла орбиты Ω характеризует поворот плоскости
наклонной или полярной орбит вокруг оси (ОZ) вращения Земли. Долгота
восходящего узла – это угол, расположенный в экваториальной области и
отсчитываемый от направления на точку весеннего равноденствия (ось ОХ)
до линии узлов.
Аргумент перигея ω характеризует ориентацию большой оси эллипса в
плоскости орбиты. Аргумент перигея оценивается как угловое расстояние от
восходящего узла (ВУ) до перигея (П), отсчитываемое в плоскости орбиты в
направлении движения ИСЗ
Время прохождения спутника через перигей определяет положение
ИСЗ в любой момент времени на орбите, которая описывается вышерассмотренными параметрами.
Таблица 1.1 - Параметры орбит ИСЗ
Показатель
Высота орбиты, км
Количество ИСЗ в орбитальной
группировке
Зона покрытия одного ИСЗ, % от
поверхности Земли
Время пребывания ИСЗ в зоне
радиовидимости (в сутки)
Задержка при Региональная связь
передаче речи,
Глобальная связь
мс
Время переключения с одного
спутника на другой, мин
Относительный максимальный
доплеровский сдвиг частоты
Угол радиовидимости ИСЗ на границе
зоны обслуживания
GEO
MEO
LEO
≈36 000
5000…
15 000
500…50
00
3…4
8…12
48…66
34
25…28
3…7
24 ч
1,5…2 ч
10…15
мин
20…70
500
80…130
600
250…400 170.…300
Не требуется
50
8 – 10
10-8
10-6
10-5
5°
15…25°
10…15°
По типу используемой орбиты все ССС делятся на два класса - системы
с ИСЗ на геостационарной орбите (Geosynchronous Earth Orbit -GEO) и на
негеостационарной орбите. В свою очередь, негеостационарные орбиты подразделяются на низкоорбитальные (Low Earht Orbit - LEO), средневысотные
(Medium Earth Orbit - MEO) и высокие эллиптические (High Elliptical Orbit HEO). Основные параметры наиболее используемых орбит ИСЗ представлены в таблице 1.1.
13
Кроме того, низкоорбитальные системы связи (LEO) подразделяются по
виду предоставляемых услуг:
- системы передачи данных на базе Little LEO (работающие в диапазоне
частот ниже 1 ГГц и использующие легкие спутники, предназначенные преимущественно для передачи коротких сообщений);
- радиотелефонные системы Big LEO (работающие в диапазоне частот
выше 1 ГГц и ориентированные на обеспечение персональной радиотелефонной связи);
- системы, ориентированные на высокоскоростную передачу данных и
мультимедийной информации Mega LEO или Super LEO (работающие в Ku и
Ka диапазонах частот и использующие относительно тяжелые спутники).
Структура характеристик орбитальной группировки (ОГ) – параметры
орбиты, типы орбитальных плоскостей, характеристики зон обслуживания и
временные показатели – изображена на рисунке 1.4.
Ха р а к т е р и с т и к и о р б и т а л ь н о й г р у п п и р о в к и
Параметры орбит
Тип орбиты
Геостационарная
Средневысотная
Низкоорбитальная
Эллиптическая
Высота орбиты
Наклонение
Полярная
Наклонная
Экваториальная
Эксцентриситет
Структура
орбитальных
плоскостей
Число плоскостей и
количество КА
в них
Тип орбитальных
плоскостей
Однородные
Разнородные
Принцип
расположения КА
в орбитальной
плоскости
Равномерный (с коррекцией
параметров орбиты)
Неравномерный (со
случайным смещением КА
в орбитальных плоскостях)
Зона
обслуживания
Охват
территорий
Временные
характеристики
Время
сеанса
связи
Глобальный
Региональный
Время
ожидания
Сложность
С однородным
покрытием зоны
С многократным
покрытием зоны
С нерегулярным
покрытием зоны
Время
доставки
Время
функционирования
группировки
Рисунок 1.4 - Структура характеристик орбитальной группировки
Параметры орбитальной группировки - это тип орбиты (LEO, MEO,
GEO, HEO); число орбитальных плоскостей и количество космических аппаратов (КА), размещенных в каждой плоскости; высота, наклонение и эксцентриситет орбит. Взаимосвязь между этими и другими показателями ОГ определяется на основе геометрических соотношений, которые характеризуют
положение КА относительно наземной станции, расположенной на границе
14
зоны обслуживания. Расстояние от наземной станции до КА в процессе его
полета для общего случая - величина переменная, поскольку спутник проходит через зону радиовидимости наземной станции под различными углами.
Наклонная дальность D зависит от угла γ, который отсчитывается от
центра Земли между направлениями на КА и границу зоны обслуживания
(рисунок 1.5). На рисунке использованы следующие обозначения: hИСЗ - высота орбиты; RЗ - радиус Земли; δ - угол видимости наземной станции на границе зоны обслуживания; D - наклонная дальность;
A - граница зоны
обслуживания.
D
A
δ
T
hИСЗ
RЗ
RЗ
γ
Рисунок 1.5 – Схема формирования рабочей зоны обслуживания
Высота орбиты ИСЗ определяет число необходимых для глобального
покрытия КА. Взаимосвязь между числом ИСЗ и параметрами орбиты определяется соотношением
N = p⋅q ≈
4 3 π

9  γ
2

 ,

(1.4)
15
где p =
2π
2 π
- число орбитальных плоскостей; q ≈
- число ИСЗ в од3γ
3γ
ной плоскости;

cos δ
γ = arccos 
 1 + h ИСЗ / R З

 − δ .

(1.5)
Эквивалентная площадь локальной рабочей зоны для отдельного взятого ИСЗ определяется выражением
S = 2π R З2 (1 − cos γ ) .
(1.6)
Следует отметить, что площадь локальной зоны S должна быть как
можно большей. Однако коэффициент усиления бортовой антенны при этом
пропорционально уменьшается, что отрицательно сказывается на энергетике
линии.
Важной характеристикой является и период обращения КА, с которым
связана продолжительность сеансов связи и перерывов в обслуживании (см.
таблицы 1.1, 1.2).
Таблица 1.2 – Основные параметры круговых орбит
Показатель
Высота орбиты 800
∼ hИСЗ, км
Период обра- 100
щения, мин
Число витков
14
в сутки
Значения параметра
1 500
2 000
6 500 10 400 20 000 36 000
114
127
240
360
720
1400
12,6
11,3
6
4
2
1
Основной критерий эффективности радиотелефонных систем на базе негеостационарных ОГ - обеспечение связности в глобальном масштабе. В данном случае "связность" означает возможность соединения абонентов, расположенных в одной или разных зонах обслуживания, и поддержки между ними непрерывного канала связи. Непрерывная связность обеспечивается, если
в зоне радиовидимости обоих абонентов находится как минимум один спутник.
Очевидно, что чем выше высота орбиты, тем меньше спутников требуется для глобального покрытия земной поверхности. Здесь следует определить понятие "кратность покрытия". Это величина, равная количеству спутников, одновременно находящихся в зоне радиовидимости. Чем выше кратность, тем надежнее связь. Так, для однократного покрытия поверхности
16
Земли радиосигналом от КА на орбитах высотой 700…1500 км необходимы
как минимум 40…70 спутников.
Время пребывания КА в зоне радиовидимости наземной станции зависит от угла радиовидимости и параметров орбит. Чем выше орбита, тем
больше время пребывания КА в пределах прямой видимости станции. Расчет
вероятностных показателей обычно проводится путем математического моделирования, что обусловлено сложностью получения соответствующих аналитических выражений. Они могут быть даны лишь для отдельных частных
случаев.
Для одиночного КА на низких экваториальных орбитах период обращения изменяется в пределах от 90 до 130 мин. Соответственно, максимальная
продолжительность сеанса связи на экваторе составляет от 9 до 31 мин при
высотах от 270 до 2 тыс. км. Что же касается полярных орбит, то максимальная продолжительность сеансов на широтах 50…600 составляет от 8 до 15
мин для высот от 800 до 1500 км.
Рассмотрим главные особенности основных типов орбит ИСЗ и специфику их использования в спутниковых радиосистемах.
1.2.2. Геостационарная орбита
Большинство существующих ССС и вещания используют наиболее выгодную для размещения спутников геостационарную орбиту (ГО), основными
достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной
связи в глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие
сдвига частоты, обусловленного доплеровским эффектом.
Геостационарные спутники, располагаясь на высоте примерно 36 тыс.
км и двигаясь со скоростью вращения Земли, как бы "зависают" над определенной точкой земной поверхности, которая располагается на экваторе (так
называемой подспутниковой точкой). В действительности положение геостационарного КА на орбите не является неизменным: он испытывает незначительный "дрейф" под воздействием ряда факторов, вызывающих деградацию
орбиты.
Основными параметрами, определяющими угловой разнос между соседними КА, являются пространственная избирательность бортовых и наземных антенн, а также точность удержания КА на орбите. Связь через геостационарный КА не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и наземной станции, а система из трехчетырех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной
поверхности. Орбитальный ресурс современных геостационарных ИСЗ также
достаточно высок и составляет около 15 лет.
17
Однако такие системы имеют ряд недостатков, главный из которых - задержка сигнала. Спутники на ГО оптимальны для систем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс (в каждом направлении) не сказываются на качественных характеристиках сигналов. Системы радиотелефонной
связи более чувствительны к задержкам, а поскольку суммарная задержка в
системах данного класса составляет около 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), даже современная техника эхоподавления не всегда позволяет обеспечить связь высокого качества. В случае
"двойного скачка" (ретрансляции через наземную станцию-шлюз) задержка
становится недопустимо большой.
Архитектура геостационарных систем ограничивает возможность повторного использования выделенных полос частот, а следовательно, их спектральную эффективность. Зона охвата геостационарных КА не включает в
себя высокоширотные районы (выше 70…80° с.ш. и ю.ш.), т. е. действительно глобальное обслуживание не гарантируется.
Бурное развитие спутниковой связи и вещания, особенно в последнее
десятилетие, привело к тому, что на ГО стало очень "тесно" и возникли проблемы с размещением новых КА. Дело в том, что в соответствии с существующими международными нормами орбитальный разнос между геостационарными КА должен составлять не менее 1°. Это означает, что на ГО можно
разместить не более 360 спутников. В настоящее время наиболее плотно занятая орбитальная дуга равна 76о (приблизительно от 67° по 143° западной
долготы). Спутники этого сектора обеспечивают связь стран Северной, Центральной и Южной Америки.
Повышение эффективности использования ГО обеспечивается методами
частотного и поляризационного разделения сигналов ИСЗ. Что же касается
сокращения углового разноса между точками стояния КА на орбите, то на
современном уровне развития техники это невозможно из-за взаимных помех.
1.2.3. Средневысотные орбиты
Спутники на средневысотных орбитах первыми начали разрабатывать
компании, традиционно выпускающие геостационарные КА. Средневысотные системы обеспечивают более качественные характеристики обслуживания подвижных абонентов, чем геостационарные, поскольку в поле зрения
абонента одновременно находится большое число КА. За счет этого появляется возможность увеличить минимальные углы видимости КА до 25…30°.
Так, например, радиовидимость двух спутников в системе "ICO" обеспечивается в течение 95% суточного времени, причем хотя бы один из ее КА
виден под углом более 30°. Это, в свою очередь, позволяет снизить дополни-
18
тельный энергетический запас радиолинии, необходимый для компенсации
потерь на распространение в ближней зоне (при наличии в ней деревьев, зданий и других преград).
Однако при выборе местоположения негеостационарной ОГ необходимо
учитывать природные ограничения - это пространственные пояса заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли, так называемые радиационные пояса Ван-Аллена (рис.1.6). Первый устойчивый пояс высокой радиации начинается примерно на высоте 1,5 тыс. км и простирается до нескольких тысяч километров, его "размах" составляет примерно 30° по обе стороны
от экватора. Второй пояс столь же высокой интенсивности располагается на
высотах от 13 до 19 тыс. км, охватывая около 50° по обе стороны от экватора.
Геомагнитная
ось
10
100
1000
10000
GN
MN
1000
2
Земля
10000
3
4
5
6
7
r / RЗ
Географическая ось
GN - географический север; MN - магнитный север; r / RЗ – относительное
расстояние, где RЗ (радиус Земли) = 6371 км, r – радиус орбиты ИСЗ
Рисунок 1.6 – Уровень радиации в зонах Ван-Аллена(число протонов,
проходящих через квадратный сантиметр поверхности в секунду)
Трасса средневысотных спутников проходит между первым и вторым
поясами Ван-Аллена, т. е. на высоте от 5 до 15 тыс. км. Зона обслуживания
каждого такого КА существенно меньше, чем геостационарного, поэтому для
19
глобального охвата с однократным покрытием наиболее населенных районов
Земного шара и судоходных акваторий необходимо создать ОГ из 8…12
спутников. Суммарная задержка сигнала при связи через средневысотные
спутники составляет не более 130 мс, что позволяет использовать их для радиотелефонной связи.
Таким образом, средневысотные спутники выигрывают у геостационарных по энергетическим показателям, но проигрывают им по продолжительности пребывания КА в зоне радиовидимости наземных станций (1,5…2 ч).
Кроме того, MEO системы для обеспечения непрерывной связи требуют переключения с одного ИСЗ на другой, что ведет к усложнению системы в целом. Что же касается орбитального ресурса средневысотных КА, то он лишь
незначительно меньше, чем у геостационарных. Период обращения спутника
вокруг Земли для средневысотных круговых орбит составляет около 6 ч (при
высоте 10 350 км), из которых в тени Земли КА находится лишь несколько
минут. Это позволяет значительно упростить технологические решения, используемые в бортовой системе электропитания, и, в конечном счете, довести
срок службы КА до 12…15 лет.
Следовательно, системы со средневысотными КА обеспечивают лучшие, чем GEO-КА, характеристики обслуживания абонентов благодаря следующим особенностям:
- они имеют большие углы радиовидимости;
- в зоне радиовидимости находится большее число спутников;
- задержка при проведении сеансов связи составляет максимум 130 мс.
Структура систем на средневысотных орбитах ("ICO", "Spaceway
NGSO", "Ростелесат") различается незначительно. Во всех этих системах
орбитальная группировка создается примерно на одной и той же высоте (10
352…10 355 км) с близкими параметрами орбит (см.
таблицу 1.1).
1.2.4. Низкие круговые орбиты
В зависимости от величины наклонения плоскости орбиты относительно
плоскости экватора различают низкие экваториальные ( i=0°), полярные
(i=90°) и наклонные орбиты. Системы с низкими наклонными и полярными
орбитами существуют уже около 30 лет и применяются в основном для научно-исследовательских целей, дистанционного зондирования, навигации, метеорологических наблюдений, фотографирования поверхности Земли. Для
организации мобильной и персональной связи эти системы стали использоваться только в последние 5-8 лет. Сегодня наиболее интенсивно осваиваются низкие наклонные и полярные орбиты высотой 700…1500 км, а также экваториальные высотой 2 тыс. км.
20
Спутники на низких орбитах обладают значительными преимуществами
перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им
в продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА.
Если период обращения спутника составляет 100 мин, то в среднем 30% времени он находится на теневой стороне Земли. Аккумуляторные бортовые
батареи испытывают приблизительно 5 тыс. циклов зарядки/разрядки в год,
вследствие чего срок их службы, как правило, не превышает 5…8 лет.
Выбор диапазона высот от 700 до 2 тыс. км для низкоорбитальных систем обусловлен в основном тем, что на орбитах высотой менее 700 км плотность атмосферы относительно высока. Повышенная плотность атмосферы
вызывает колебания эксцентриситета и деградацию орбиты (постепенное
снижение высоты апогея). Кроме того, уменьшение высоты орбиты приводит
к увеличению числа штатных маневров для сохранения заданной орбиты, а
следовательно, к повышению расхода топлива.
С другой стороны, на орбитах выше 1,5 тыс. км, где располагается первый радиационный пояс Ван-Аллена, длительная работа электронной бортовой аппаратуры практически невозможна, если не использовать специальных
методов защиты от радиационного излучения. Применение же этих методов
ведет к существенному усложнению бортовой аппаратуры и увеличению массы ИСЗ.
Однако чем меньше высота орбиты, тем меньше мгновенная зона обслуживания, а, следовательно, для глобального охвата требуется значительно
большее количество спутников. Если низкоорбитальная система должна
обеспечить глобальную связь с непрерывным обслуживанием, то необходимо, чтобы в орбитальную группировку входило не менее 48 ИСЗ. Период
обращения спутника на этих орбитах составляет от 90 мин до 2 ч, а максимальное время пребывания КА в зоне радиовидимости не превышает 10…15
мин (см. таблицу 1.1).
1.2.5. Эллиптические орбиты
Основными параметрами, характеризующими тип эллиптической орбиты, являются период обращения спутника вокруг Земли и эксцентриситет
(показатель эллиптичности орбиты). В настоящее время используются несколько типов эллиптических орбит с большим эксцентриситетом –
"Borealis", "Archimedes", "Молния", "Тундра" (таблица 1.3). Все указанные
орбиты являются синхронными, то есть спутник, выведенный на такую орбиту, вращается со скоростью Земли и имеет период обращения, кратный времени суток.
Для спутников на эллиптической орбите характерно то, что их скорость
в апогее значительно меньше, чем в перигее. Следовательно, КА будет нахо-
21
диться в зоне видимости определенного региона в течение более длительного
времени, чем спутник, орбита которого является круговой.
Так, выведенный на орбиту КА "Молния" (апогей hA = 40 тыс. км, перигей hП = 460 км, наклонение i = 63,4°, эксцентриситет э = 0,71) обеспечивает
сеансы связи продолжительностью 8…10 ч, причем система всего из трех
спутников поддерживает глобальную круглосуточную связь. Эллиптические
орбиты с более низким апогеем, например "Borealis" ( hA = 7840 км, hП = 520
км) или "Archimedes" ( hA = 26 737 км, hП = 1000 км), предназначены для
обеспечения региональной связи. КА на орбитах с более низким апогеем выигрывают у спутников на высокоэллиптических орбитах по энергетическим
характеристикам, проигрывая им в продолжительности сеансов. Для обеспечения непрерывной круглосуточной связи с использованием синхронносолнечных орбит "Borealis" потребуется не менее 8 КА (расположенных в
двух орбитальных плоскостях по четыре спутника в каждой плоскости). Они
позволят обслуживать абонентов при углах радиовидимости ИСЗ не менее
25°.
Таблица 1.3 – Типы эллиптических орбит и их основные параметры
Тип орбиты
Borealis
Archimedes
Молния
Тундра
Высота апогея,
км
7840
28000
40000
71000
Период
обращения, ч
3
8
12
24
Число витков в
сутки
8
3
2
1
Системы с КА на эллиптических орбитах также не лишены "природных" ограничений. Постоянство местоположения КА на эллиптической орбите обеспечивается только при двух значениях наклонения плоскости орбиты к
экватору i = 63,4° и i = 116,6°. Это объясняется воздействием неоднородностей гравитационного поля Земли, из-за которого большая ось эллиптической
орбиты испытывает вращательный момент, что приводит к колебаниям широты подспутниковой точки в апогее. Другой фактор, влияющий на выбор
параметров эллиптических орбит, это опасное воздействие радиационных
поясов Ван-Аллена, которые неизбежно пересекает КА во время своего движения по орбите.
22
1.3. Международное распределение радиочастот
Международное регулирование использования радиочастот возложено
на Международный Союз электросвязи, являющийся специализированным
учреждением ООН.
Международный Союз электросвязи состоит из стран, подписавших и
ратифицировавших Конвенцию электросвязи, или присоединившихся к ней.
В настоящее время членами МСЭ являются около 160 стран.
Международный Союз электросвязи осуществляет распределение радиочастот и регистрацию присвоений частот таким образом, чтобы избегать
недопустимых помех между радиосредствами различных стран. Он координирует деятельность, направленную на устранение недопустимых помех между радиосредствами различных стран и на улучшение использования полос
частот.
В технической литературе часто используется буквенные обозначения
диапазонов, представленные в таблице 1.4. Распределение частотных диапазонов для нужд наиболее распространенных систем приведено в таблице 1.5.
Таблица 1.4 – Диапазоны радиочастот, выделенные для работы
ковых радиотехнических систем
спутни-
Обозначение диапазона частот
Диапазон частот, ГГц
L
1,452…1,559 ; 1,610…1,710
S
1,930…2,690
C-low
3,400…5,250
C-high
5,725…7,075
X
7,250…8,040
Ku
10,700…12,570; 12,700…14,800
K
15,400…27,500
Ka
27,500…50,200
23
Таблица 1.5 – Распределение частотных диапазонов для целей связи,
вещания и навигации
3…30
кГц
ЛитераБуквенное
турное обозначение
название диапазона
низкие
МириаСверх- Очень
частоты
метровые длинные ОНЧ
(VLF)
30…300 КилометкГц
ровые
Длинные
(ДВ)
Ультракороткие (УКВ)
Метровые
Дециметровые
( 0,3...3 )
ГГц
Радиовещание
(АМ):ДВ:
150…300
кГц
Низкие
частоты
НЧ (LF)
Средние
частоты
0,3...3 Гектомет- Средние
СЧ (MF)
МГц
ровые
(СВ)
Радио:
ДВ, СВ
(LW, MW)
Высокие
частоты
3...30 Декамет- Короткие
ВЧ (HF)
МГц
ровые
(КВ)
Радио: КВ
(SW)
Очень высокие частоты
30...300
ОВЧ (VHF)
Радио:
МГц
УКВ (FM)
ТВ: МВ(VHF)
300...3000
МГц
Области применения
Ультра
высокие
частоты
УВЧ (UHF)
ТВ: ДМВ
(UHF)
Спутниковое
ТВ:
(1-ая) ПЧ
(Sat IF,
L...band)
Передача
сигнала
Радио- Радиолюбибедствия в вещание тельская связь
море – SOS
(АМ)
500 кГц
Мобильная
связь:
Радио- РадиолюбиCB
вещание тельская
связь
26,3...27,1
(АМ)
МГц
Радио- Телевидение
Мобильная вещание:
связь
(УКВ ЧМ) (АМ, звук ЧМ)
Спутниковое навигационное
оповещение при бедствиях
121 МГц, 243 МГц, 406 Мгц
Мобильная
связь:
NMT:
450...465
МГц.
GSM:
814...904
МГц;
900...920
МГц;
1800...
1850 МГц
Спутниковая связь: ДМВ (UHF):0,3...1,0 ГГц;
L- диап.: 1,1... 1,9 ГГц; S- диап.: 1,9...2,95 ГГц
Навигация: 1,56...1,61 ГГц
Диапазон Метрическое
частот название
Телевидение
(АМ, звук ЧМ):
Спутниковое
ТВ
(ЧМ, В-, D-,
D2-MAC;
QPSK)
Продолжение таблицы 1.5
24
МетриДиапазон ческое
частот
название
ЛитераБуквенное
турное обозначение
название диапазона
Области применения
Спутниковая связь
(ЧМ или квадратурная
ФМн QPSK):
C-диапазон:
со спутника: 3,4...5,25
ГГц
передача на спутники:
5,725...7,075 ГГц;
Сверх
высокие
частоты
СВЧ
(SHF)
Микроволновое
излучение
3...30
ГГц
Сантиметровые
X-диапазон:
7,2...7,75 (...8,4) ГГц;
Спутниковое
телевидение
(ЧМ, B-, D2MAC, QPSK)
C-диапазон:
со спутника:
3,4...4,2 ГГц;
передача на
спутники:
5,725...7,075
ГГц;
Ku- диапазон
Ku-диапазон
со спутника:
со спутника
поддиапазоны:
поддиапазоны:
Ku I (или FSS):
Ku I:
(10,7) 10,95...11,7 ГГц; (10,7) 10,95
Ku II (или DBS):
...11,7 ГГц;
11,7...12,5 (12,75) ГГц;
Ku II:
Ku IIa (или Telecom):
11,7...12,5
12,5...12,75 ГГц;
(12,75) ГГц;
передача на спутники: Ku IIa (или
12,75...14,8 ГГц;
Teleсom):
K-диапазон: 15,4...27,5 12,5...12,75
ГГц;
ГГц;
передача
на
Ka-диапазон:
спутники:
27...30 ГГц и далее
12,75...14,8
в диапазоне
ГГц:
миллиметровых волн
Глобальная спутниковая навигация
1,22...1,25 ГГц 1,5...1,61 ГГц
30...300 МиллиГГц
метровые
300...
30000
ГГц
Децимиллиметровые
(субмиллиметровые)
Крайне
высокие Спутниковая связь (ЧМ или квадратурная ФМн QPSK): Ka-диапазон:
частоты
27...50 ГГц
КВЧ (EHF)
Гипер
высокие
частоты
ГВЧ (THF)
25
1.4. Особенности распространения сигналов на спутниковых линиях связи
Рассмотрим один участок спутниковой линии связи, состоящий из передающего и приемного устройств, передающей и приемной антенн и трассы
распространения радиоволн.
Для оценки энергетического потенциала передающей станции используют понятие эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ в
дБВт)
РЭ = 10 lg (PП ηП GП ) = GП* + 10 lg ( PП ηП ) ,
(1.7)
где PП – мощность передатчика; ηП – коэффициент передачи мощности
фидерного тракта передающей станции; GП – коэффициент усиления передающей антенны (КУ), GП* – КУ передающей антенны в дБ.
Энергетический потенциал приемной станции достаточно полно характеризуется добротностью приемной станции (в дБ / К)
G / T = 10 lg ( GПР/TΣ ) =GПР* - 10 lg ТΣ ,
(1.8)
где ТΣ – суммарная эквивалентная шумовая температура приемной станции,
приведенная ко входу антенны; GПР – коэффициент усиления (КУ) приемной
антенны, GПР * – КУ приемной антенны в дБ.
Мощность сигнала на входе приемного устройства системы спутниковой
связи определяется выражением
PС .ВХ =
PП G П G ПРη Пη ПРV 2
K ПОЛ ,
AΣ
(1.9)
где ηПР – коэффициент передачи по мощности фидерного тракта приемной
станции от выхода антенны до входа приемника; АΣ - суммарное ослабление
сигнала на участке между антеннами; КПОЛ - величина поляризационных потерь; V - множитель ослабления.
Особенности определения АΣ ,V и КПОЛ следует рассмотреть более подробно. Величина АΣ определяется ослаблением сигнала в свободном пространстве АСВО и поглощением в атмосфере при угле возвышения β в случае
отсутствия осадков АА(β):
АΣ = АСВО АА (β).
Ослабление в свободном пространстве составляет
26
АСВО =
(4πλL ) ,
2
где L – протяженность канала связи; λ- длина волны несущего колебания.
Величина АА(β) зависит от длины пути радиоволн в атмосфере, которую
можно характеризовать углом возвышения β. Для определения АА(β) можно
использовать графики (рисунок.1.7), где по оси абсцисс отложена величина
ослабления аА(β)=10 lg АА(β).
Множитель ослабления V в выражении (1.9) определяется только поглощением электромагнитной энергии в осадках (дожде, облаках и туманах)
V 2 = 10
−0 ,1α g Rg
,
где αg – погонное ослабление сигнала в осадках на трассе протяженностью
1км; Rg – протяженность трассы на которой наблюдаются осадки. Величина
αg для дождей разной интенсивности определяется по специальным графикам [14]. Например, на частоте 6 ГГц при интенсивности дождя 25 мм/ч
уровень погонного ослабления сигнала αg составит
аА, дБ
Угол возвышения
3000
1000
β
300
100
Резонанс O2
Резонанс
H2O
30
β=0°
10
3
β=3°
1,0
0,3
β=30°
0,1
β=90°
0,03
0,01
1
2
3
4
5
8 10
20
30
50 f,
Рисунок 1.7 – Частотные характеристики затухания в атмосфере
27
0,1 дБ/км, а при увеличении частоты до 13 ГГц уровень αg вырастет до 1
дБ/км. В тоже время при меньшей интенсивности дождя (I=10 мм/ч) значение погонного ослабления сигнала αg = 1 дБ/км достигается на частотах более 18 ГГц. Величина Rg определяет длину трассы, на которой коэффициент
ослабления αg примерно постоянен. Для вертикальных трасс (β = 900) – Rg =
3…4 км, для горизонтальных (β = 0) величина Rg зависит от интенсивности
осадков (см. таблицу 1.6).
В системах связи через ИСЗ на частотах ниже 8 ГГц замирания сигнала
из-за поглощения в осадках можно не учитывать из-за малости αg.
Таблица 1.6 – Зависимость длины трассы от интенсивности осадков
Интенсивность осадков, мм/ч
Rg , км
<10
100...300
10
45…55
25…30
30…35
>100
8…12
Поляризационные потери обуславливаются неидентичностью поляризационных характеристик антенн и изменением плоскости поляризации, вызванным эффектом Фарадея. На частотах выше 3…4 ГГц эффектом Фарадея
можно пренебречь и можно учитывать только несовпадение поляризационных характеристик антенн. Поэтому для предотвращения резкого уменьшения величин КПОЛ в системах связи и вещания через ИСЗ используют антенны с круговой поляризацией.
При использовании на передаче и приеме антенн с одинаковой поляризацией (линейной или круговой) при ϕ, стремящемся к 0 можно получить
КПОЛ = 1 (ϕ – угол между большими (или малыми) осями эллипса поляризации передающей и приемной антенн). Если одна из антенн имеет круговую
поляризацию, а другая – линейную, величина КПОЛ = 0,5 , что соответствует
уменьшению принимаемой мощности в два раза.
Для определения энергетического потенциала приемной станции (1.8)
необходимо знать мощность шумов на входе приемного устройства или эквивалентную шумовую температуру. Мощность шумов на входе приемного
устройства системы спутниковой связи связана с эквивалентной шумовой
температурой ТΣ соотношением
РШ Σ = k ТΣ ∆f Э.ПР ,
где k = 1,38⋅10 Дж / К – постоянная Больцмана; ∆f
рина полосы пропускания приемника.
-23
Э.ПР
– эффективная ши-
28
Суммарная эквивалентная шумовая температура премного устройства
системы спутниковой связи может быть представлена в виде суммы (η –
КПД фидера и фильтров, находящихся между выходом антенны и входом
приемника)
ТΣ = ТЭ.ПР + ТЭ.Ф + ( ТЭ.А + ТЭ.К ) η,
где ТЭ.ПР – эквивалентная шумовая температура характеризующая собственные шумы приемника, отнесенные к его входу; ТЭ.Ф - эквивалентная шумовая
температура на выходе фидера; ТЭ.А – эквивалентная шумовая температура
антенны; ТЭ.К - эквивалентная шумовая температура характеризующая радиоизлучение космических источников.
Собственные шумы приемника, отнесенные к его входу, принято характеризовать коэффициентом шума Ш, тогда ТЭ.ПР = Т0 (Ш - 1), где Т0 = 290К.
На рисунке 1.8 показаны зависимости ТЭ.ПР от частоты для приемных устройств с различными типами входных каскадов.
TЭ.ПР, К
2000
2
1
1000
500
4
3
200
7
100
5
50
6
20
8
10
0,1
0,2
0,5
1
2
5
f, ГГц
1 – транзисторный усилитель; 2 – диодный смеситель; 3 – электронная лампа;
4 – ЛБВ; 5 – параметрический усилитель без охлаждения; 6 – параметрический усилитель
с охлаждением азотом; 7 – квантовый усилитель без охлаждения;
8 – квантовый усилитель с охлаждением.
Рисунок 1.8 – Шумовая температура электронных устройств
Эквивалентная шумовая температура, создаваемая элементами фидерного тракта, определяется как
ТЭ.Ф = ТФ ( 1 - η ),
29
где ТФ – температура фидерного тракта в градусах Кельвина; η - КПД фидерного тракта.
Эквивалентная шумовая температура антенны земной станции определяется воздействием теплового излучения Земли и теплового излучения атмосферы. Собственные шумы антенны обычно не учитываются ввиду их малости.
Следовательно, эквивалентная температура антенны, пересчитанная к ее
входу, равна
ТЭ.А = ТЭ.З + ТЭ.а (β),
где ТЭ.З ,ТЭ.а (β) – соответственно эквивалентная температура Земли и атмосферы, отнесенные ко входу антенны.
Составляющая эквивалентной шумовой температуры антенны, определяемая тепловым радиоизлучением Земли, принимаемым боковыми лепестками диаграммы направленности, рассчитывается по формуле
ТЭ.З = 23 + 0,2 ( 90 – β ),
где β - угол возвышения в градусах.
Эквивалентная шумовая температуры теплового излучения атмосферы
обычно определяется при помощи графических зависимостей эквивалентной
шумовой температуры ТЭ.А , приведенной ко входу антенны, от частоты f и
угла возвышения β (см. рисунок 1.9).
Для бортовой антенны спутников связи, ориентированных на Землю,
можно считать, что
TЭ . А = [TЗ + TЭ .а ( 90° )]
ΩЗ
,
ΩА
где ТЗ = 290К – средняя температура земной поверхности; ΩЗ – телесный
угол земной поверхности, наблюдаемой с борта ИСЗ; ΩА – телесный угол
главного лепестка диаграммы направленности бортовой антенны.
Эквивалентная шумовая температура приемного устройства, обусловленная радиоизлучением космических источников, в общем случае определяется следующим выражением
TЭ .К =
1
4π
∫ T Я ( β 0 , Ψ0 ) G( β 0 , Ψ0 ) dΩ ,
4π
где ТЯ (β0, Ψ0) – температура окружающей среды в различных направлениях
от антенны; G (β0, Ψ0) – усиление антенны в соответствующем направлении.
30
T′ЭК
TЭА ,
K
100
β=0°
TЭА
50
TЭК
β=5°
20
β=10°
10
β=30°
5
β=90°
2
1
0,2
0,5
1
2
5
10
20
f, ГГц
Рисунок 1.9 – Зависимости эквивалентной шумовой температуры
частоты при различных углах возвышения
от
На практике часто встречаются три случая, позволяющие упростить
расчет эквивалентной шумовой температуры, характеризующей радиоизлучение космических источников:
1. Величина ТЯ (β, Ψ) = ТЯ постоянна или мало изменяется в пределах
главного лепестка диаграммы направленности антенны, а излучением, принимаемым боковыми лепестками, можно пренебречь. В этом случае ΩИ > ΩА
, где ΩА – телесный угол источника излучения, и можно считать ТЭ.К = ТЯ.
2. Угловой размер источников излучения ΩИ мал по сравнению с шириной диаграммы направленности антенны ΩА. В этом случае
TЭ . К = T Я
ΩИ
.
ΩА
3. Приемная антенна не направлена на Солнце, Луну, планеты и дискретные космические источники, тогда
31
ТЭ.К = Т′Э.К ,
причем Т′Э.К определяется в соответствии с рисунком 1.9.
Для оценки возможностей спутниковой системы по передаче информации двух перечисленных параметров G/T (дБ/K°) и PЭ (дБВт) вполне достаточно. Однако с увеличением PЭ возрастает стоимость спутника, а с увеличением G/T – стоимость наземной станции. Обычно находят такое оптимальное
сочетание этих параметров, чтобы суммарная стоимость линии была минимальной, так как эти параметры определяют стоимость передатчика и приемника наземной станции, а также стоимость передатчика спутника.
1.5. Методика расчета параметров наведения антенн земных станций
Данные по параметрам наведения необходимы для ориентации максимума диаграммы направленности антенны ЗС на ИСЗ. Это, в первую очередь, относится к новым ЗС, к ЗС, переводимым на работу через другой
спутник, а также к ЗС, временно прекратившим работу в системе по различным причинам. В качестве параметров наведения антенны используются угловые координаты ориентации оси луча антенны по азимуту и углу места.
Приближенные значения угловых координат ориентации луча антенны могут
быть рассчитаны по формулам или определены с помощью специальных
таблиц.
Следует отметить, что точные значения параметров наведения для любого времени суток могут быть получены только непосредственно при работе
системы наведения антенны ЗС по сигналам, принимаемым со спутника.
Для расчета параметров наведения для конкретной ЗС необходимо
иметь следующие данные:
− номинальное положение спутника на орбите;
− отклонение спутника от номинального положения в течение суток;
− точные географические координаты земной станции;
− данные привязки оси луча антенны к угловым координатам по азимуту и
углу места.
Привязка оси луча антенны по азимуту может быть произведена либо по
Полярной звезде, либо по компасу с учетом магнитного склонения в месте
расположения ЗС.
Расчет угла места для направления оси луча антенны ЗС на спутник
производится по формуле:
32
RЗ

 cos ∆C cos X − R + H
З
β = arctg 
2
 1 − cos ∆C cos 2 X




,



где RЗ - радиус Земли (RЗ = 6378,16 км); Н - высота орбиты спутника;
Х - географическая широта ЗС; ∆С = Z – Y – разность географической долготы ЗС и долготы точки стояния спутника; Y – географическая долгота ЗС, а Z
- долгота точки стояния спутника (положительное направление на восток).
Для приближенных расчетов (в случае ИСЗ на геостационарной орбите)
можно принять RЗ / (RЗ+H) = 0,151263.
Формула для расчета азимута антенны ЗС имеет следующий вид:
α = 180° + arctg
tg ∆C
.
sin X
Положительное направление азимута определяется при движении антенны ЗС от направления на север по часовой стрелке.
Вопросы и задания для самоконтроля
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
В чем заключаются принципы и особенности работы системы спутниковой связи с активной ретрансляцией?
Объясните назначение и перечислите состав наземного, космического и
пользовательского сегментов ССС.
Перечислите назначение и разновидности служб спутниковой связи.
Охарактеризуйте основные параметры орбит ИСЗ.
Определите число необходимых для глобального покрытия КА и эквивалентную площадь локальной рабочей зоны для одного КА, если высота
орбиты составляет 2000 км, угол видимости наземной станции на границе зоны обслуживания равен 10°.
Перечислите основные достоинства и недостатки ССС, использующих
геостационарную орбиту.
Перечислите причины, определяющие выбор местоположения негеостационарной ОГ ССС.
Определите необходимые значения угла места и азимута антенны ЗС,
ориентированной на ИСЗ, если ЗС находится в г. Севастополе, а ИСЗ
размещен в позиции 13° в. д. геостационарной орбиты.
33
ГЛАВА 2
СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ ГЛОБАЛЬНОЙ, ПОДВИЖНОЙ
И ПЕРСОНАЛЬНОЙ СВЯЗИ
2.1. Принципы построения систем спутниковой связи
2.1.1. Введение
Идея использования космического пространства для передачи информации давно волновала лучшие умы человечества. Однако космическая связь
оставалась мечтой до тех пор, пока на околоземную орбиту не был выведен
летательный аппарат с отражателем на борту. Правда, было предложение
использовать в качестве отражателя Луну, но этот проект имел ряд недостатков, и главным из них был слишком малый уровень отраженных сигналов.
В настоящее время трудно установить, кому первому принадлежит идея
спутниковой связи. По ряду источников считается, что использование геостационарного спутника для целей радиовещания было предложено американцем Артуром Кларком. Действительно, статья А. Кларка в Wireless World в
1945 году воспринималась исключительно как научная фантастика. В этой
статье ученый и писатель высказывал идею о помещении ретрансляционного
космического аппарата на такую орбиту, где период его обращения будет
равняться 24 часам, т.е. периоду вращения Земли. Соответственно такой аппарат для наблюдателя с Земли будет оставаться неподвижным. Через такой
аппарат можно передавать радио- и телесигнал. Орбиту А. Кларк предложил
назвать геостационарной.
Его предложению суждено было ожидать начала космической эры, которая открылась с запуском советского спутника в 1957 г. Связь через активные спутниковые ретрансляторы осуществилась позже: с 1962 г. через спутник "Telsar" и с 1963 г. через первый геостационарный спутник "Syncom".
Первый спутник связи "Early Bird" международной системы "Intelsat" был
выведен на орбиту 6 апреля 1965 г., а 23 апреля 1965 г. был запущен советский спутник связи “Молния-1” для ретрансляции информации. Началось
практическое освоение космического пространства для передачи информации
на большие расстояния.
Преимущества спутниковой связи были сразу же по достоинству оценены. Линия связи через спутниковый ретранслятор обладает большой пропускной способностью, перекрывает огромные расстояния, вследствие низкого
уровня помех позволяет передавать информацию с высокой надежностью.
Эти достоинства делают спутниковую связь уникальным и эффективным
средством передачи информации.
34
Как мы уже отмечали, особый интерес представляет геостационарная
орбита - круговая орбита, находящаяся в экваториальной плоскости и удаленная от поверхности Земли на расстояние около 36 тыс. км. Геостационарная орбита уникальна, другой такой орбиты не существует. Преимущества
связи через геостационарный спутник прежде всего состоят в том, что передача и прием сигналов возможны при неподвижных антеннах наземных
станций, а высота геостационарной орбиты такова, что спутник “видит” почти третью часть поверхности земного шара.
Использование спутников для связи продолжает расширяться по мере
развития наземных информационных служб. Многие страны создают собственные национальные системы спутниковой связи. Значительная часть информационной нагрузки в недавнее время обеспечивалась международными
системами "Intelsat" и "Интерспутник". Почти весь трафик приходится на
геостационарные спутники.
Потребности в спутниковых линиях продолжают расти, поскольку при
дальности свыше 800 км спутниковые каналы становятся экономически более
выгодными по сравнению с другими видами дальней связи. Далее мы рассмотрим некоторые наиболее важные принципы, используемые в спутниковых системах для передачи информации.
2.1.2. Методы разделения каналов в системах спутниковой связи
Важная характеристика, определяющая структуру системы связи - технология доступа пользователей к спутниковым каналам. При передаче сигналов разных земных станций (ЗС) по разным стволам обычно дополнительных
проблем не возникает. Если передача сигналов различных ЗС осуществляется
через один ствол ретранслятора, то используется многостанционный доступ.
При этом все ЗС, работающие через конкретный спутник, используют
какой-либо принцип многостанционного доступа. Многостанционный доступ
представляет собой специфическую особенность систем спутниковой связи,
отличающую ее от других видов передачи и дающую возможность существенно повысить эффективность ретранслятора. Известны четыре основных
способа формирования сигналов для многостанционного доступа: разделение
сигналов по частоте, разделение по времени, разделение в пространстве и
разделение по форме. Применяются и комбинации этих методов, каждый из
которых имеет свои особенности и вызывает специфические эффекты. Принцип реализации многостанционного доступа при разделении в пространстве
наиболее прост и осуществляется за счет формирования направленных лучей
диаграмм направленности антенн. Остальные методы многостанционного
доступа рассмотрим более подробно.
35
Многостанционный доступ с частотным разделением каналов –
Frequency Division Multiple Access (FDMA) - множественный доступ, основанный на разделении полосы пропускания канала на группу полос частот,
образующих логические каналы. При использовании FDMA, именуемого
также множественным доступом с разделением волны WDMA (Wave DMA),
широкая полоса пропускания канала делится (рисунок 2.1) на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. В каждой узкой полосе создается
логический канал. Размеры узких полос могут быть различными. Передаваемые по логическим каналам сигналы накладываются на разные несущие и
поэтому в частотной области не должны пересекаться. Вместе с тем, иногда,
несмотря на наличие защитных полос, спектральные составляющие сигнала
могут выходить за границы логического канала и вызывать шум в соседнем
логическом канале.
Широкая полоса
спутникового ретранслятора
Защитная полоса
Узкая полоса
логического канала
Частота
Ри-
сунок 2.1 – Общий вид спектра сигнала в системе с частотным
разделением каналов
Многостанционный доступ с временным разделением каналов
(МДВР) широко используется в многоканальной связи. Этот принцип сочетают с цифровыми методами передачи, т.е. сигнал каждой ЗС передается в
виде кодовой последовательности. При передаче телефонных сигналов период дискретизации TД=125 мкс. Несколько отсчетов одного сигнала, полученных на интервале TКП, называемом кадром передачи, объединяют в пакет
длительностью TП путем сжатия временных интервалов между ними. За время кадра предаются пакеты всех земных станций системы. Примерные значения: TКП=5 мс, TП=50 мкс; в пакете передаются TКП / TД = 40 отсчетов, тогда в кадре размещаются сигналы 100 земных станций (TКП / TП = 100). На
рисунке 2.2,а показана структура кадра МДВР. В кадре цифрами 1, 2, ...,6
36
обозначены пакеты земных станций (ЗС) 1, 2,...,6, а цифрой 0 – синхропакет,
предназначенный для синхронизации и управления системой связи. Его излучает одна из земных станций - ведущая. Информационный пакет делится
на субпакеты (см. рис. 2.2, б): С0 – синхронизации и управления, С1-С6 –
информационные для ЗС1–ЗС6.
0
1
2
а)
3
4
6
0
t
TКП
С0 С1 С2 С3 С4 С5 С6
б)
5
t
TП
Рисунок 2.2 – Принцип формирования пакета при временном
делении каналов
раз-
Такой вариант применения МДВР характеризуется малой эффективностью использования пропускной способности канала. Другой, более сложный, но высокоэкономичный вариант заключается в том, что система получает временной интервал для передачи только тогда, когда у нее возникает
необходимость в передаче данных, например, при асинхронном способе.
Для передачи данных система может в каждом цикле получать интервал
с одним и тем же номером. В этом случае передаваемые системой блоки данных появляются через одинаковые промежутки времени и приходят с одним
и тем же временем запаздывания. О таком режиме передачи данных говорят,
что осуществляется имитация коммутации каналов.
Во втором режиме система в различных циклах получает интервалы с
разными номерами. Более того, в течение одного интервала система в зависимости от имеющегося у нее количества данных может получать не один, а
несколько интервалов. Этот способ называют коммутацией пакетов. Выделение интервалов во втором режиме осуществляется динамически, в зависимости от того, какие интервалы в циклах заняты в режиме коммутации каналов.
В настоящее время практически наиболее часто применяются следующие стандарты многостанционного доступа:
• DAMA (Demand Assignment Multiple Access) - многократный доступ с
присвоением канала по требованию (технология многостанционного доступа
37
с разделением каналов, которая позволяет коллективно использовать выделенные участки спектра);
• TDMA (Time-Devision Multiplex Access) - многократный доступ с временным делением;
• FDMA (Frequency-Devision Multiple Access) - частотное разделение каналов, а также доступ к цифровым каналам сотовой связи в стандарте AMPS
(Advanced Mobile Phone System - система мобильной связи с расширенными
возможностями);
• GSM (Global System for Mobile Communications - глобальная система
мобильной связи);
• CDMA (Code-Devision Multiple Access - доступ к цифровым каналам с
разделением кодов).
Некоторые сети поддерживают одновременно несколько различных технологий.
Многостанционный доступ с разделением сигналов по форме
(МДРФ) применяется в системах, обычно использующих шумоподобные
сигналы (ШПС); их называют также широкополосными, широкобазовыми
или составными. Реализацию таких сигналов рассмотрим на примере.
Пусть бинарная информация передается с пассивной паузой со скоростью 1/Т бит/с, где T – длительность информационных символов (см. рисунок 2.3). Тогда можно считать, что эффективная ширина спектра сигнала
примерно равна 1/Т. Заменим теперь каждый информационный символ серией разнополярных импульсов, длительность которых τИ = Т/m , где m – целое
положительное число, а порядок чередования (структура ШПС) псевдослучаен, но точно известен на стороне приема. Это преобразование равносильно
расширению спектра в m раз и соответствующему увеличению базы сигнала.
Существуют и другие способы формирования ШПС.
При передаче по спутниковому каналу ШПС переносится в область высоких частот. Если ШПС разных каналов полностью или частично не перекрываются во времени и по частоте, то на приеме имеют дело с разделением
ШПС по времени и по частоте соответственно. Если сигналы полностью или
частично перекрываются по времени и по частоте, то сигналы могут быть
разделены по форме. Этот случай и представляет наибольшей практический
интерес.
38
T
T
T
T
t
t
τИ = Т/m
Ри-
сунок 2.3 – Пример реализации шумоподобных сигналов
При обработке принятого ШПС необходимо учитывать чередование разнополярных импульсов, то есть как бы “сворачивать” сигнал. При этом приемное устройство должно быть согласовано со структурой ШПС и синхронизовано с ним. Отсюда следует, что ШПС, имеющий другую структуру (форму), будет воспринят данным приемным устройством как помеха. Качество
передачи информации в такой системе определяется взаимными помехами
между сигналами абонентов – шумами неортогональности, которые возрастают по мере увеличения числа одновременно работающих абонентов. Если
абоненты равноправны, качество связи не может быть улучшено повышением мощности ШПС. Это обстоятельство вызывает необходимость увеличения
базы ШПС, что приводит усложнению аппаратуры и процедуры обработки
сигналов на приемной стороне.
2.2. Спутниковые системы подвижной и персональной связи на основе геостационарных ИСЗ
2.2.1. Особенности построения современных систем спутниковой
связи на основе геостационарных ИСЗ
Современные системы спутниковой связи на основе геостационарных
ИСЗ обеспечивают все виды связи (телефон, факс, передача данных и т.д.). В
течение более чем 30 лет геостационарные спутники обеспечивали практически единственный вид коммерческой связи через космос. Для односторонней
связи эти системы обеспечивают максимальную эффективность. Возможности геостационарных ИСЗ в настоящее время таковы, что они обеспечивают
не только пропускную способность, эквивалентную пропускной способности
39
волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), но и позволяют обеспечить связью малонаселенные районы, в которых использование ВОЛС или других
наземных линий невозможно по технико-экономическим соображениям.
Наиболее известной системой является международная система "Inmarsat". В последние годы активно развиваются региональные системы спутниковой связи, причем наряду с традиционным L-диапазоном частот рассматривается возможность использования не только S-диапазона, но и диапазонов
31/21 и 47/44 ГГц. Переход к более высокочастотным диапазонам обусловлен
необходимостью увеличения пропускной способности, рост которой практически ограничен в L-диапазоне частот. Другие системы решают в основном
региональные задачи.
2.2.2. Международная система "Eutelsat"
Консорциум "Eutelsat" (The European Telecommunications Satellite
Organization) был образован 1977 году для передачи телефонных вызовов и
европейских телевизионных программ на континенте. В 1994 году участниками "Eutelsat" были 36 государств Европы, в настоящее время страны восточной Европы становятся полноправными участниками консорциума. Современная технологическая программа "Eutelsat" базируется на мощных
спутниках "Eutelsat II", "Eutelsat III", предоставляющих расширенные операционные возможности и предназначенных для использования до 2010 г.
Основная задача организации – эксплуатация и развитие спутниковой
системы "Eutelsat" для фиксированной и подвижной связи и вещания в Европе. Спутники "Eutelsat" обеспечивают поддержку национальных и международных государственных служб электросвязи, как фиксированных, так и подвижных (телефон, телеграф, телекс, факс, видеотекст, передача данных), а
также специализированных служб электросвязи (радионавигация, спутниковое вещание, космические исследования, метеорология и аэрофотосъемка для
исследования природных ресурсов).
Космический сегмент "Eutelsat" включает ряд ИСЗ, расположение которых
на орбите к началу 2001 г. показано на рисунке 2.4. Трафик спутников
"Eutelsat" включает:
ТВ и радиопрограммы для кабельных сетей и прямого приема;
программы сетей Евровидения и Еврорадио в рамках ECP;
каналы сбора новостей с помощью спутников;
каналы внутренней и международной телефонии;
каналы передачи данных для выделенных сетей деловой информации;
– каналы сухопутной подвижной сети Евтелтракс.
–
–
–
–
–
40
Кроме того, организация "Eutelsat" осуществляет развитие Европейской
системы подвижной спутниковой связи, созданной на базе геостационарного
ИСЗ "Italsat-2".
Рисунок 2.4 – Схема размещения ИСЗ "Eutelsat" на орбите
Далее представим информацию о некоторых ИСЗ системы "Eutelsat".
1) Запуск ИСЗ:
− EUTELSAT II-F1 - 30.08.90, ракетоноситель "Ariane V38";
− EUTELSAT II-F2 - 15.01.91, ракетоноситель "Ariane V41";
− EUTELSAT II-F3 - 07.12.91, ракетоноситель "Atlas II AC-102";
− EUTELSAT II-F4 - 09.07.92, ракетоноситель "Ariane V51";
− HOT BIRD™ 1 (EUTELSAT II-F6) - 28.03.95, "Ariane V71".
2) Положение на орбите:
− EUTELSAT II-F2 ……….. 12,5°W;
− EUTELSAT II-F3 ……….. 36°E;
− EUTELSAT II-F4 ……….. 10°E;
− EUTELSAT II-F1 ……….. 48°E;
− HOT BIRD™ 1 ………….. 13°E.
3) Число транспондеров:……….. EUTELSAT II-F1-F4 – 16;
………...HOT BIRD™ 1 – 16;
41
4) Мощность передатчиков: …… EUTELSAT II-F1-F4 – 50 Вт;
…… HOT BIRD™ 1 – 70 Вт.
5) Используемые диапазоны частот:
EUTELSAT II-F1-F4 (10,95…11,20); (11,45…11,70); (12,50…12,75) ГГц;
HOT BIRD™ 1 (11,20-11,55) ГГц.
6) ЭИИМ: EUTELSAT II-F1-F4 - направленный луч - 52 дБВт;
EUTELSAT II-F1-F4 - широкий луч - 47 дБВт;
HOT BIRD™ 1 - 49 дБВт.
7) Используемая полоса частот: EUTELSAT II-F1-F4
72 МГц (7 транспондеров); 36 МГц (9 транспондеров).
8) Срок службы ИСЗ: EUTELSAT II-F1-F4 – 9 лет;
HOT BIRD™ 1 – 11 лет.
2.2.3. Международная система "Inmarsat"
Международная организация "Inmarsat", объединяющая поставщиков
услуг спутниковой системы связи, существует с 1979 года, и сегодня сеть
"Inmarsat" используют в 80 странах мира. Хотя изначально она создавалась
для обеспечения связью военно-морского флота и морских перевозок, последняя ее реализация рассчитана также и на сухопутные транспортные средства. Заметим, что это одна из немногих систем, космический сегмент которой полностью соответствует рекомендациям для служб мобильной спутниковой и аэросвязи, разработанным Международной организацией гражданских авиаперевозок (ICAO).
Спутниковая система "Inmarsat" включает четыре составные части:
− космический сегмент: действующие и запасные спутники с ретрансляторами;
− сеть земных станций - (Land Earth Station -LES);
− абонентские подвижные земные станции, или терминалы, (Mobile
Earth Station -MES);
− средства управления системой: центр эксплуатации сети (Network
Operation Centre-NOC) и центр управления спутниками (Satellite Control
Centre- SCC).
42
Телефон
Факс
Передача
данных
Телекс
Местные и
международные
сети
Рисунок 2.5 – Взаимодействие основных сегментов системы "Inmarsat"
Рассмотрим стандарты, действующие в рамках системы "Inmarsat".
"Inmarsat A" – аналоговая система подвижной спутниковой связи. Система была введена в эксплуатацию в 1982 году. Система обеспечивает телефонную связь, передачу данных, факсимильных и телексных сообщений.
Типовая станция "Inmarsat-А" обеспечивает один телефонный и один телексный канал, хотя имеются и многоканальные модели. В основном это станции морского исполнения для установки на судах. В настоящее время идет
замена станций этого стандарта на более современные станции стандарта
"Inmarsat-В". Морская станция "Inmarsat-А" (аналоговая) обеспечивает прием/передачу информации в реальном масштабе времени и позволяет входить
в сети связи X.25, X.400, Internet, E-mail, а также осуществляет групповой
вызов: одновременную передачу сообщения по выбранной группе пользователей или по географическому признаку. Станция принимает информационные сообщения: навигационные, IMO, WMO, ICAO.
43
Спутниковый терминал "Inmarsat-А" обеспечивает следующие режимы
работы:
• телефон ( 9,6 Кбит/с ) ;
• факс ( 9,6 Кбит/с ) ;
• телекс ( 50 бод ) ;
• передача данных ( 9,6 Кбит/с ) ;
• высокоскоростная передача данных ( 64 / 56 Кбит/с ).
"Inmarsat-В" – цифровая версия системы "Inmarsat-А", которая обеспечивает аналогичный плюс усовершенствованный набор услуг. На базе цифровых методов связи стандарт "Inmarsat-В" дает возможность пользоваться
высокоскоростной передачей данных (64 Кбит/с), многоканальной связью,
конференц-связью и передачей видеоизображений. Система "Inmarsat-В"
более эффективно использует мощность и спектр, чем система "Inmarsat-А",
что дает снижение стоимости за пользование космическим сегментом. Разработаны терминалы для морских и речных судов, автомашин, полустационарные установки, а также переносные модели в виде чемоданов. Система
"Inmarsat-В" была введена в эксплуатацию в 1993 году. Станции "InmarsatВ" могут работать в направленных лучах спутников "Inmarsat" третьего поколения. Осуществляет групповой вызов: одновременная передача сообщения по выбранной группе пользователей или по географическому признаку.
Спутниковый терминал "Inmarsat-B" обеспечивает такие же режимы работы,
как и "Inmarsat-А".
"Inmarsat-С" была введена в эксплуатацию в 1991 году. "Inmarsat-С"
обеспечивает телексную связь и низкоскоростную передачу данных (600
бит/сек) на основе метода хранения и последующей передачи информации на
спутник через всенаправленную антенну высотой всего в несколько дюймов.
"Inmarsat-С" также обеспечивает работу электронной почты через конкретную Земную станцию, используя протоколы Х.25 и Х.400. Терминал может
иметь в своем составе или подсоединяться к устройствам определения местоположения (например, GPS). Самый малогабаритный терминал "Inmarsat-С"
можно уместить в обычный портфель, и еще останется место для компьютера
"ноутбук" или печатного устройства. Фирмы-изготовители выпустили более
50 различных моделей станций "Inmarsat-С" для широкого набора применений (диспетчерское управление флотом или автомобильным транспортом,
связь в случаях бедствий, дистанционное наблюдение и контроль, передача
информационных сводок и т.д.) В конце 1993 года стал выпускаться терминал системы АЭРО-С.
44
"Inmarsat-М". Земная станция "Inmarsat-М" является портативным вариантом станции "Inmarsat-В" и открывает новое поколение аппаратуры
спутниковой связи. Терминал "Inmarsat-М" – это первый в мире портативный персональный спутниковый телефон в виде чемоданчика типа «дипломат». Внедрение портативных станций "Inmarsat-М" принципиально изменило представление о возможностях спутниковой связи "Inmarsat". Станция
"Inmarsat-М" обеспечивает круглосуточную оперативную телефонную связь
практически в любой точке Земного шара, а также передачу данных и факсимильных сообщений. При организации связи «терминал-терминал» двойным скачком через спутники "Inmarsat" обеспечивается работа как бы в собственной локальной сети связи без выхода на наземные каналы. Терминалы
оборудованы автономным источником питания - аккумуляторными батареями, что дает возможность использования этих портативных аппаратов при
полном отсутствии каких-либо средств связи и в самых различных условиях,
в том числе чрезвычайных - при бедствиях, авариях и т.п. Станции
"Inmarsat-М" производятся в вариантах для монтажа на любом типе грузовых и легковых автомашин, а также для морских и речных судов. Глобальная
система "Inmarsat-М" влилась в русло действующих систем "Inmarsat" в 1993
году.
"Inmarsat-Mini М" представляет собой спутниковый терминал фактически с теми же самыми возможностями, что и терминал системы "InmarsatМ", обеспечивает телефонную связь, передачу данных и факсимильных сообщений, услуги электронной почты и обмен компьютерной информацией
практически в любой точке Земного шара. Терминалы "Inmarsat-mini М"
работают через спутники третьего поколения c использованием новейшей
технологии «направленного луча», что позволило значительно уменьшить
габариты данного вида оборудования. Это миниатюрные и легкие терминалы
размером со стандартный лист бумаги А4 и весом не более 2,5 кг. Встроенная батарея и зарядное устройство дают возможность работать автономно,
обеспечивая полную мобильность и независимость от наземных сетей связи.
Тарифы на услуги связи "Inmarsat-mini М" самые низкие в системе
"Inmarsat". Разработаны модели "Inmarsat-mini М" для использования на
автомобильном, железнодорожном транспорте, морском и речном транспорте, а также модели для стационарного применения в отдаленных районах и
сельских местностях.
"Inmarsat D, D+" – Глобальная односторонняя система связи, обеспечивающая передачу данных и коротких сообщений (до 138 символов) на
спутниковые терминалы типа "пейджер". Самая дешевая услуга связи в системе спутниковой связи "Inmarsat" введена в эксплуатацию в 1996 году.
45
"Inmarsat D+" – это усовершенствованная система связи "Inmarsat D", обеспечивающая двустороннюю связь, т.е. передачу коротких сообщений с последующим подтверждением о получении переданной информации. Разработаны модели со встроенным приемником GPS, что дает возможность использовать "Inmarsat D+" в системах слежения за подвижными объектами.
"Inmarsat–Е". Система была разработана с целью передачи оповещения о бедствии на частотах L-диапазона (для спутниковых аварийных радиобуев). Поскольку геостационарные спутники "Inmarsat" всегда находятся в
зоне видимости, то оповещение о бедствии могут приниматься без задержки
спасательно-координационными центрами. Координаты судна, терпящего
бедствие, автоматически вводятся в спутниковый радиобуй. Во время аварии
буй свободно всплывает и автономно включает передачу сигналов бедствия.
Космический сегмент "Inmarsat". В системе "Inmarsat" используются
геостационарные спутники, которые "неподвижно висят" над заданными точками над экватором Земли (рисунок 2.6). На каждом спутнике имеется по
крайней мере два ретранслятора, один из которых ретранслирует сообщения
в направлении от ЗС к терминалам, а второй – в обратном направлении. За
время существования системы сменилось два поколения спутников, и сейчас
система работает на третьем поколении спутников.
Спутники первого поколения. Для системы первого поколения
"Inmarsat" арендовал часть каналов на трех спутниках "Марисат", принадлежащих корпорации “Comsat” (США), а также стволы морской спутниковой
связи на трех спутниках “Intelsat”и всю емкость спутника "Марекс В2", приобретенного у Европейского Космического Агентства. Энергетический ресурс
спутников обеспечивал одновременную работу небольшого количества стандартных каналов "Inmarsat-А", причем один стандартный канал мог использоваться как один телефонный канал или в качестве 22 телексных каналов в
системе "Inmarsat-А".
Спутники второго поколения. С 1990 года были введены в эксплуатацию спутники второго поколения, принадлежащие "Inmarsat". Четыре спутника второго поколения использовались в качестве основных рабочих, а
спутники первого поколения получили статус запасных. Пропускная способность каждого из 4 спутников второго поколения эквивалентна 280 телефонным каналам системы "Inmarsat-А". Для сравнения, спутник "Марисат" имеет пропускную способность, равную 10 телефонным каналам. Спутники первого и второго поколения имеют глобальные лучи.
46
Рисунок 2.6 – Местоположение ИСЗ "Inmarsat " на орбите
Каждый глобальный луч охватывает приблизительно треть земной поверхности (за исключением высокоширотных полярных районов до 70° южной широты и до 70° северной широты). На рис.2.7 показаны зоны покрытия
спутников "Inmarsat" первого и второго поколений. Спутники Инмарсат перекрывают четыре большие области:
− Атлантический океанский регион восточный (Atlatic Ocean Region East
– AOR-E);
− Атлантический океанский регион западный (Atlantic Ocean Region
West – AOR-W);
− Индийский океанский регион (Indian Ocean Region – IOR);
− Тихоокеанский регион (Pacific Ocean Region – POR).
В целом система "Inmarsat" при использовании глобальных лучей охватывает практически весь земной шар и соответствует требованиям, предъявляемыми к Глобальной морской системе связи при бедствии и для обеспечения безопасности (ГМССБ).
Спутники третьего поколения. В настоящее время на орбите работают
спутники третьего поколения, которые используют новую технологию спутниковой связи – "технологию направленных лучей", покрывающих более
95% земной поверхности, что значительно расширяет возможности использования системы. Каждый спутник, наряду с глобальным лучом, имеет несколько направленных лучей, покрывающих определенные зоны поверхности
Земли и концетрирующих в зонах покрытия большую мощность. Ориентирование направленных лучей, мощность излучения и диапазон частот могут
изменяться на орбите, что позволяет обеспечивать связью те регионы, где
потребности в связи высоки, а ресурсов не хватает.
Рисунок 2.7 – Зоны покрытия спутников "Inmarsat" первого и второго поколений
47
48
Западноатлантический
спутник
AOR-W (код 874)
Восточноатлантический
спутник
AOR-E (код 871)
Индийский спутник
IOR (код 873)
Тихоокеанский спутник
POR (код 872)
Рисунок 2.8 – Зоны покрытия спутников "Inmarsat"
третьего поколения
На рисунке 2.8 показаны зоны покрытия спутников "Inmarsat" третьего
поколения. Новые спутники позволяют не только значительно увеличить
пропускную способность для всех действующих подсистем "Inmarsat", но и
использовать малогабаритные абонентские терминалы, заметно снизив при
этом их стоимость.
49
Спутники четвертого поколения. Планируется, что три спутника
"Inmarsat 4" будут запущены в 2004 году. Сегодня они находятся в стадии
разработки компанией "Astrium". Мощность новых спутников будет в 100
раз выше, чем у существующих, что позволит передавать данные со скоростью до 432 Кбит/с. Усовершенствованная технология позволит снизить тарифы до 75% от существующих в стандарте "Inmarsat-М4". Новая услуга будет называться B-GAN - Broadband Global Area Network (широкополосная
глобальная сеть).
Наземный сегмент системы "Inmarsat". В каждом океанском регионе, как правило, находится несколько ЗС. Все они образуют сеть, причем одна из них (по контракту с Организацией "Inmarsat") является координирующей станцией (Network Coordination Station- NCS), которая управляет работой данной сети.
Работу всей сети в целом круглосуточно контролирует Центр эксплуатации сети (Network Operations Centre - NOC), расположенный в Лондоне в
штаб-квартире "Inmarsat". Сигнал с абонентской станции поступает на спутник связи, затем – на одну из береговых станций, обеспечивающих доступ в
сети связи общего пользования, то есть на телефон наземного абонента. Организуется также возможность связи между двумя подвижными абонентскими станциями – “режим двойного скачка”. В этом случае исключается прохождение сигнала по наземным линиям связи.
а)
б)
Рисунок 2.9 – Внешний вид терминалов
а) – "Inmarsat-В"; б) – "Inmarsat-М"
Терминалы для каждого стандарта имеют свои особенности построения.
Так, например, в комплектацию терминала "Inmarsat-А" могут входить:
− параболическая антенна с радиопрозрачным укрытием;
− основной электронный блок с кнопкой подачи сигнала бедствия;
− телексные блоки и/или стандартный компьютер;
50
− принтер.
Все управление станцией "Inmarsat-А" осуществляется с телефонного
аппарата или телексного комплекта, а также с клавиатуры компьютера. Ввод
команд и текстового материала осуществляется с клавиатуры телексного аппарата или клавиатуры компьютера.
В комплектацию терминала "Inmarsat-В" могут входить (рисунок 2.9,а):
− антенна (фазированная решетка);
− основной электронный блок;
− телефонная трубка с дисплеем;
− специализированный компьютер и/или стандартный компьютер;
− принтер;
− блок питания.
В настоящее время на мировом рынке имеется широкий выбор наземных станций "Inmarsat". Все терминалы имеют одни и те же стандартные
параметры по радиоканалу, однако обладают незначительными отличиями, в
основном заключающимися в разном программном обеспечении и габаритах.
Так на рисунке 2.9,б представлен внешний вид портативного терминала
стандарта "Inmarsat-М".
2.2.4. Международная система "Интерспутник"
"Интерспутник" является международной, межправительственной организацией и международной системой спутниковой связи. Организация была
учреждена в 1971 году со штаб-квартирой в г. Москва (Российская Федерация). На 1 марта 1998 число Членов Организации "Интерспутник" составляло
23:
• Афганистан
• Грузия
• Лаос
• Сирия
• Беларусь
• Йемен
• Монголия
• Таджикистан
• Болгария
• Казахстан
• Никарагуа
• Туркменистан
• Венгрия
• КНДР
• Польша
• Украина
• Вьетнам
• Куба
• Россия
• Чехия
• Германия
• Кыргызстан • Румыния
Пользователями системы "Интерспутник" являются около 100 государственных и частных компаний многих стран мира. В их число входят компании России, США, Великобритании, Японии, Канады, Индии, Франции,
Португалии, Мадагаскара и др.
В соответствии с регламентом система "Интерспутник" включает в качестве своих составных компонентов:
51
− космический комплекс, состоящий из спутников связи с ретрансляторами, бортовыми средствами и наземными системами управления, обеспечивающими нормальное функционирование спутников;
− земные станции пользователей;
− контрольные станции, с помощью которых осуществляется оперативное управление эксплуатацией системы.
К основным видам предоставляемых услуг, предоставляемых системой,
можно отнести следующие:
− обмен телефонными, документальными (факс, телекс) сообщениями и
сигналами в международных, национальных и региональных сетях общего
пользования, а также в выделенных сетях;
− международный обмен телевизионными и звуковыми программами;
− организация национального и регионального телевизионного и звукового вещания на сеть земных станций с малыми антеннами;
− организация национального и регионального непосредственного телевизионного и звукового вещания на сеть приемных установок коллективного
и индивидуального пользования;
− организация сетей видеоконференцсвязи;
− организация сетей связи для деловых кругов (сетей связи с использованием станций с антеннами малого размера типа VSAT) и др.
Для обмена информацией в системе "Интерспутник" наибольшее распространение получили следующие методы передачи сигналов:
1. Для передачи телевизионного сигнала (сигнала изображения) - частотная модуляция (ЧМ) несущей аналоговым телевизионным сигналом. Для
передачи совместно с сигналом телевидения сигнала звукового сопровождения телевизионной программы - частотная модуляция аналоговым звуковым
сигналом поднесущей, расположенной выше спектра телевизионного сигнала
и последующая частотная модуляция несущей составным сигналом, состоящим из сигнала изображения и ЧМ поднесущей звукового сопровождения.
2. Для передачи сигналов радиовещания - аналого-цифровое преобразование при помощи импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), двойная относительная фазовая манипуляция несущей при многостанционном доступе с частотным разделением каналов (МДЧР-ДОФМ-ИКМ).
3. Для передачи сигналов телефонии в системе используется аппаратура
типа SCPC для организации малоканальной связи между абонентами. Для
передачи сигналов используется аналого-цифровое преобразование сигнала
одного телефонного канала низкой частоты (ОКН) с помощью ИКМ, двойная фазовая манипуляция отдельной несущей при многостанционном доступе
с частотным разделением каналов (МДЧР-ОКН-ДФМ-ИКМ). Параметры
52
используемого преобразования ИКМ представлены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Перечень основных технических параметров и требований к
каналу и несущим типа ОКН-ДФМ-ИКМ
Параметр
Требование
Полоса канала
300…3400 Гц
Скорость передачи
64 Кбит/с
(включая преамбулу)
Уровни входного/выходного испытатель–13/+4 дБм
ного сигнала тональной частоты
Параметры преобразования,
7- разрядная ИКМ,
закон компандирокодирования
вания: А=87,6.
Частота дискретизации: 8 кГц
Модуляция сигнала ПЧ
двойная фазовая
модуляция
Управление несущей передачи
использованием
тонального сигнала
Расстояние между соседними несущими
45 кГц
Ширина полосы
45 кГц
Шумовая полоса по ПЧ
38 кГц
Отношение несущая – спектральная плотность шума (C/N0) в канале при номи61,3 дБГц
нальном уровне принимаемого сигнала
Отношение несущая–шум (C/N0) в шумовой полосе при номинальном уровне
15,5 дБ
принимаемого сигнала
Коэффициент ошибок (BER) при номи1×10-6
нальном уровне принимаемого сигнала
Отношение C/N0 в канале при пороговом
59,3 дБГц
коэффициенте битовых ошибок 10-4
Отношение несущая–шум (C/N0) при по13,5 дБ
роговом уровне принимаемого сигнала
Коэффициент ошибок (BER) при порого1×10-4
вом уровне принимаемого сигнала
53
4. Для передачи сигналов телефонии в системе используется аппаратура
типа IDR и IBS для организации многоканальной связи между абонентами.
Для передачи сигналов используется аналого-цифровое преобразование сигналов группы телефонных каналов низкой частоты (ГКН) с помощью ИКМ,
двойная фазовая манипуляция отдельной несущей при многостанционном
доступе с частотным разделением каналов (МДЧР-ГКН-ДФМ-ИКМ).
Параметры используемой в системе "Интерспутник" аппаратуры третьей
и четвертой групп позволяют организовать телефонные каналы между абонентами на уровне международных норм (Рекомендаций МККТТ). Эти каналы могут использоваться для передачи всех видов информации, которую
можно передавать по каналу тональной частоты.
Космический сегмент системы "Интерспутник" включает в себя:
− геостационарные спутники связи типа "Горизонт", "Экспресс", "LMI"
и "SESAT":
− геостационарные вещательные спутники типа "Галс",
− средства контроля технического состояния и управления спутниками и
бортовой аппаратурой в процессе эксплуатации.
Спутники связи "Горизонт" и "Экспресс" работают в диапазонах частот
6/4 ГГц (С - диапазон) и 14/11 ГГц (Ku - диапазон), имеют передающие антенны с глобальными, зоновыми и узкими лучами и обеспечивают значения
ЭИИМ в направлении границ зон обслуживания от 25,5 до 43,0 дБВт в диапазоне С и 36,0 дБВт в диапазоне Ku.
Спутники "Экспресс" являются следующим после спутников "Горизонт"
поколением российских спутников связи. Каждый спутник "Горизонт" имеет
6 транспондеров для работы в диапазоне С и один - в диапазоне Ku. Каждый
спутник "Экспресс" имеет 10 транспондеров для работы в диапазоне С и два
- в диапазоне Ku.
По сравнению со спутниками "Горизонт" спутники "Экспресс" имеют:
− большее количество транспондеров;
− лучшие энергетические характеристики;
− более высокую точность удержания на орбите, что позволяет исключить использование системы наведения на земных станциях с антеннами малых размеров;
− более продолжительный срок службы;
− возможность оперативного управления с Земли ориентацией бортовых
антенн с узкими лучами и одной бортовой антенны с зоновым лучом в течение всего срока активного существования спутников.
Вещательные спутники типа "Галс" работают в диапазоне Ku и предна-
54
значены для организации непосредственного телевизионного вещания на
приемные установки индивидуальных абонентов.
Каждый спутник "Галс" имеет по три транспондера, бортовые перенацеливаемые антенны с узкими лучами и обеспечивает значения ЭИИМ в направлении границ зон обслуживания в пределах
52,0…54,0
дБВт.
Основные рабочие точки спутников системы "Интерспутник" – позиции
геостационарной орбиты с координатами 14°з.д. (Атлантический регион) и
80°в.д. (Индийский регион). Также в системе используются спутники и на
других позициях в пределах дуги геостационарной орбиты от 14° з.д. до 161°
в.д. Схема расположения ИСЗ на геостационарной орбите показана на рисунке 2.10.
Рисунок 2.10 – Схема размещения ИСЗ системы "Интерспутник" на орбите
Спутники "Экспресс" эксплуатируются с 1995 года и являются следующим за спутниками типа "Горизонт" поколением спутников связи российского производства с более продолжительным сроком службы и лучшими характеристиками. Основные параметры спутников типа "Экспресс" и их антенн
приведены в таблицах 2.2, 2.3, соответственно.
Таблица 2.2 – Параметры спутников "Экспресс"
55
Срок службы
Точность удержания на орбите:
- в направлении запад-восток и в направлении
север-юг
Количество транспондеров:
- в диапазоне 6/4 ГГц
- в диапазоне 14/11 ГГц
Количество приемных и передающих антенн
5…7 лет
не более ±0,2°
10
2
9
Таблица 2.3 – Характеристики антенн ИСЗ "Экспресс"
Возможность
Услов- Рабо- Назначение Ширина
Параметры
ное
антенны
луча по
луча в зависи- перенацеливания
чий
(максиуровню
луча антенны по
обозна- диапамости от
чение
мальное половинной
размеров
командам
зон,
усиление, мощности, облучаемой
с Земли, град.
антенГГц
дБ)
территории
ны
(град)
север- западюг
восток
А1
6/4
А2
6/4
А3
6/4
А4
6/4
А5
6/4
А6
6/4
А7
6/4
А8
6/4
А9
14/11
передача
(19,0)
передача
(30,0)
передача
(20,7)
передача
(26,5)
передача
(20,7)
передача
(26,5)
прием
(19,0)
прием
(26,5)
прием и
передача
(30,0)
17х17
Глобальный
нет
нет
5х5
Узкий
8/4
±8°
15х15
Квазиглобальный
Зоновый
нет
нет
±8°
±8°
5х11
нет
нет
5х11
Квазиглобальный
Зоновый
нет
нет
17х17
Глобальный
нет
нет
5х11
Зоновый
нет
нет
5х5
Узкий
8/5
4,5/4,5
15х15
Координаты точек прицеливания антенн А1, А3, А5, А6, А7 и А8 по
осям запад-восток и север-юг устанавливаются на Земле перед запуском
спутника и не меняются в процессе его эксплуатации на орбите. При этом
точки прицеливания антенн А1, А3, А5 и А7 устанавливаются на координаты
56
подспутниковой точки, а антенн А6 и А8 - на координату долготы подспутниковой точки в направлении запад-восток и на заранее выбранную координату широты в направлении север-юг для обеспечения требуемой зоны обслуживания. Координаты точки прицеливания антенны А4 устанавливаются
на Земле. Однако, в отличие от антенн А6 и А8, одна из координат точки
прицеливания антенны А4 по оси север-юг может меняться по команде с
Земли при нахождении спутника на орбите.
В качестве примера на рисунке 2.11 представлены проекции контуров
равного усиления для передающих бортовых антенн А3 и А5 для уровней -1,
-2, -3 и -4 дБ относительно максимального усиления. ЭИИМ в центре лучей
28,6 дБВт. На рисунке 2.12 изображены проекции контуров равного усиления для передающей бортовой антенны А2 (5°х5°) для уровней -1, -2, -3, -10
дБ относительно максимального усиления. ЭИИМ в центре луча 48,0 дБВт
(для транспондера 6) и 39,6 дБВт (для транспондеров 14 и 16).
Для данного ИСЗ ширина полосы рабочих частот по уровню минус 1дБ
34 МГц (40 МГц для транспондера 6). Возможности подключения транспондеров на спутниках "Экспресс" к приемным и передающим бортовым антеннам показаны на структурной схеме (рисунке 2.13).
Рисунок 2.11 – Проекции контуров равного усиления для передающих бортовых антенн А3 и А5
57
Рисунок 2.12 – Проекции контуров равного усиления
передающей бортовой антенны А2
для
Добротность приемных устройств (G/T) для центра луча антенны ИСЗ
"Экспресс":
- в диапазоне частот 6 ГГц
-11,2; -4,2 дБ/К;
- в диапазоне частот 14 ГГц
-2,5 дБ/К.
ЭИИМ для центра луча антенны:
- в диапазоне частот 4 ГГц
от 28,9 до 46,1 дБВт;
- в диапазоне частот 11 ГГц
39,2 дБВт.
Поляризация для полезного сигнала в диапазоне 6/4 ГГц:
- на линии вверх
круговая, левого вращения;
- на линии вниз
круговая, правого вращения.
Поляризация для полезного сигнала в диапазоне 14/11 ГГц:
- на линии вверх
линейная горизонтальная;
- на линии вниз
линейная вертикальная.
Система "Интерспутник" находится в постоянном развитии. Так 27 сентября 1999 года ИСЗ "LMI-1" на новейшей платформе A2100AX производства "Локхид Мартин" был выведен на геостационарную орбиту в точку 75°
в.д. ИСЗ "LMI-1" обладает высокой мощностью, имеет модульную конструкцию и рассчитан на обеспечение быстро растущих потребностей в области
связи регионов России и других стран Содружества, Восточной Европы,
Южной и Юго-Восточной Азии, Африки, Ближнего Востока и Австралии.
58
Спутник "LMI-1” предназначен для работы в фиксированной спутниковой
службе. Его энергетические возможности позволяют организовать ретрансляцию различных видов информации, включая программы телевидения и
радиовещания, телефонные и документальные (факс, телекс) сообщения, сигналы данных, сигналы видеоконференцсвязи и др.
ПЕРЕДАЧА
17х17
Ширина
луча A1
A2
( град)
5x5
15x15
5x11
A5
5x5
5x11
15x15
A4
A3
A9
A6
35,7
ЭИИМ(дБВт)
48,0 39,6
в центре
луча
6
14
35,2
16
28,6
8
35,2
28,6
10
7
-11,2
ПРИЕМ
А7
35,2
9
11
28,6
15
35,2
17
39,2
12
20
-2,5
А8
17х17
5х11
Рисунок 2.13 – Структурная схема подключения транспондеров ИСЗ "Экспресс"
ИСЗ "LMI-1" (модель Lockheed Martin A2100 AX) создан на крупнейшем заводе корпорации "Локхид Мартин" в г. Саннивейл (штат Калифорния). Запуск спутника был произведен компанией International Launch
Services с помощью ракеты-носителя "Протон". Спутник предназначен для
работы в Фиксированных спутниковых службах (FSS), имеет трехосевую
стабилизацию и точность удержания на орбите ±0,05° (в направлениях северюг/запад-восток). Масса спутника 1 730 кг и срок службы на орбите – 15 лет.
Мощность источников питания ИСЗ "LMI-1" 6,8…7,5 кВт, полностью
обеспечивает питания всех транспондеров при прохождении теневых участков. Сбор телеметрических данных и контроль за работой "LMI-1" осуществляются космическим центром A2100 в Калифорнии. Мониторинг ведут контрольные станции "Дубна" (РФ) и "Шипка" (Болгария).
59
Полезная нагрузка ИСЗ "LMI-1" состоит из оборудования С и Кu диапазонов, характеристики которого приведены в таблице 2.4.
Таблица 2.4 – Радиооборудование ИСЗ LMI-1
Параметры
Количество транспондеров
Ширина полосы частот
транспондера
Рабочие частоты
(линия вверх/линия вниз)
Поляризация на линии
вверх/вниз
Поляризационное уплотнение
ЭИИМ в зоне обслуживания
(пороговое и пиковое значение)
Усилители ЛБВ
Плотность потока мощности
насыщения
Добротность в зоне обслуживания (пороговое и пиковое значение)
Диапазон С
28
Диапазон Ku
16
36 МГц
27 МГц
5725…6025 /
3700…4000 МГц
6425….6725 /
3400….3700 МГц
линейная
ортогональная:
горизонтальная и
вертикальная
имеется
13750…14000 /
12500…12750
МГц
31…39 дБВт
43…48 дБВт
45 Вт
90 Вт
(Северный луч)
90 Вт и 135 Вт
(Южный луч)
от -92 до -70
дБВт/м2
от -3 до +2 дБ/К
(Северный луч)
от -5 до 0 дБ/К
(Южный луч)
от -97 до -75
дБВт/м2
от -9 до 0 дБ/К
нет
Спутник "LMI-1" имеет три приемопередающих антенны:А1, А2 для работы в С и Ku диапазонах; А3 для работы в С диапазоне. Все антенны обеспечивают контурную форму луча с развязкой по поляризации (прием/передача) 31 дБ. Уровень первого бокового лепестка ДН антенн в С диапазоне –15 дБ, в Ku диапазоне –17 дБ. Уровень второго бокового лепестка –
20 дБ в обоих диапазонах.
Таким образом, на спутнике "LMI-1" рабочий диапазон частот используется дважды за счет поляризационного уплотнения сигналов (поляризация
линейная, горизонтальная и вертикальная). Схема подключения транспондеров к бортовым антеннам спутника "LMI-1" для C- диапазона представлена
60
Рисунок 2.14 - Схема подключения транспондеров к бортовым антеннам ИСЗ "LMI-1" для C- диапазона
на рисунке 2.14, а для Ku- диапазона на рисунке 2.15. Широкий луч передающего устройства "А" ИСЗ "LMI-1" имеет характеристики:
• диапазон C (3,700…4,000 ГГц);
• ЭИИММАКС = 38 дБВт (зона обзора показана на рисунке 2.16,а);
• транспондеры №№ 1А - 14А (см. рисунок 2.14).
Широкий луч приемного устройства "А" ИСЗ "LMI-1" имеет характеристики:
• диапазон C (5,725…6,025 ГГц);
• G/TМАКС = –4 дБ/K (зона обзора показана на рисунке 16,б);
• транспондеры №№ 1А - 14А (см. рисунок 2.14).
Широкий луч передающего устройства "B" ИСЗ "LMI-1" имеет характеристики:
• диапазон C (3,400…3,700 ГГц);
• ЭИИММАКС = 39 дБВт (зона обзора показана на рисунке 2.17,а);
• транспондеры №№ 1B - 14B (см. рисунок 2.14).
Широкий луч приемного устройства "В" ИСЗ "LMI-1" имеет характеристики:
• диапазон "C" (6,425…6,725 ГГц);
• G/TМАКС = 0 дБ/K (зона обзора показана на рисунке 2.17,б);
• транспондеры №№ 1B - 14B (см. рисунок 2.14).
61
Рисунок 2.15 - Схема подключения транспондеров к бортовым
антеннам ИСЗ "LMI-1" для Ku - диапазона
Рисунок 2.16 - Зона обзора передающего а) и приемного б)
устройств "А" ИСЗ "LMI-1"
"Sesat" (Европейско-Сибирский Спутник) предназначен для предоставления услуг в диапазоне Ku пользователям в странах Центральной и Восточной Европы, включая большую часть Сибири (фиксированная зона обслуживания), а также пользователям любого региона в зоне видимости спутника
(перенацеливаемый узкий луч). Согласно договору с "Eutelsat" "Интерспутник" является оператором части емкости спутника "Sesat". Производство НПО ПМ (Россия) и Alcatel Espace (Франция). Запущен в ноябре 1999 г.
Срок службы – 10 лет. ЭИИМ в зоне обслуживания 40…47 дБВт.
62
Рисунок 2.17 - Зона обзора передающего а) и приемного б)
ройств "В" ИСЗ "LMI-1"
уст-
Наземный сегмент системы "Интерспутник". В системе "Интерспутник" используются земные станции различных стандартов, отличающиеся значениями добротности (G/T). Для обеспечения наилучшей эффективности использования космического сегмента приемная система земной
станции должна иметь добротность, достаточную для получения требуемого
качества канала связи. При определении необходимой величины добротности приемной системы надо учесть данные долгосрочной статистики осадков
и их влияние на затухание принимаемого сигнала и, соответственно, на увеличение шумовой температуры приемной системы.
Стандарты земных станций, работающих в диапазоне частот
6/4 ГГц
(или в диапазоне С), обозначаются латинской буквой "С" и цифрой, обозначающей класс ЗС. Например, стандарт С1 указывает на то, что данная ЗС
работает в диапазоне 6/4 ГГц и относится к первому классу. Действующие
стандарты ЗС системы "Интерспутник", работающих в диапазоне частот 6/4
ГГц, приведены в табл. 2.5.
При работе ЗС через спутники типа “Горизонт" и “Экспресс” в диапазоне 6/4 ГГц, антенная система, включая антенно-волноводный тракт ЗС,
должна обеспечить передачу и прием сигналов с круговой поляризацией:
- при передаче – левого вращения;
- при приеме – правого вращения.
На спутнике "LMI-1" в диапазоне 6/4 ГГц используется линейная поляризация сигналов при передаче и приеме, а также повторное использования
частот за счет поляризационного уплотнения сигналов. При работе ЗС стандарта С через спутники типа "LMI-1" предъявляются следующие требования
к антенной системе и антенно-волноводному тракту – обеспечить передачу и
прием сигналов с линейной ортогональной поляризацией:
- при передаче – горизонтальной и/или вертикальной;
- при приеме – вертикальной и/или горизонтальной.
63
Таблица 2.5 – Стандарты земных станций диапазона частот 6 / 4 ГГц
Стан- Значедарт
ние
ЗС
G/T
(дБ/К)
*
Типичный
диаметр
антенны
(м)
**
Основное назначение,
область применения
Обмен любыми видами сообщений, включая
телевизионные и звуковые программы, телефонные и документальные (факс, телекс) сообщения, сигналы данных, видеоконференцсвязь.
Обмен любыми видами сообщений, включая
С2
≥28,0
6,5…7,5 телевизионные и звуковые программы, телефонные и документальные (факс, телекс) сообщения, сигналы данных, видеоконференцсвязь.
Обмен телефонными и документальными (факс,
С3
≥23,5
3,5…5,0 телекс) сообщениями, сигналами данных, видеоконференцсвязь.
Прием телевизионных и звуковых программ.
Обмен телефонными и документальными (факс,
С4
≥19,3
2,0…3,0 телекс) сообщениями, сигналами данных. Прием телевизионных и звуковых программ.
* – значения G/T приведены при условии ясного неба, угле места β = 5° и на центральной частоте рабочего диапазона приема;
** – меньшее значение диаметра антенны соответствует МШУ с низкой температурой шума (≤40°К).
С1
≥31,0
9…12
Стандарты земных станций, работающих в диапазонах 14/11 и 13/12
ГГц (или в диапазоне Ku), обозначаются латинской буквой “К” и цифрой,
обозначающей класс ЗС. Действующие стандарты ЗС системы "Интерспутник", работающих в диапазонах частот 14/11 и 13/12 ГГц, приведены в
табл.2.6.
Поляризация электромагнитного поля для ЗС (диапазоны частот 14/11
и 13/12 ГГц) при работе через:
Спутник “Горизонт”- при передаче – круговая, левого вращения;
- при приеме – круговая, правого вращения
Спутник “Экспресс” - при передаче – линейная, горизонтальная
- при приеме – линейная, вертикальная
Спутник “LMI-1” - при передаче – вертикальная и/или горизонтальная;
- при приеме – вертикальная и/или горизонтальная.
64
Таблица 2.6 – Стандарты земных станций диапазонов частот 14/11 и 13/12
ГГц
Стан- Значение Типичный
G/T,
диаметр
дарт
дБ/К
Антенны,
ЗС
*
м **
Основное назначение,
область применения
Обмен любыми видами сообщений, включая
телевизионные и звуковые программы, телефонные и документальные (факс, телекс) сообщения, сигналы данных, видеоконференцсвязь и др.
Обмен любыми видами сообщений, включая
К2
≥35,00
6,5…7,5 телевизионные и звуковые программы, телефонные и документальные (факс, телекс) сообщения, сигналы данных, видеоконференцсвязь и др.
Обмен телефонными и документальными
К3
≥30,0
3,5…5,0 (факс, телекс) сообщениями, сигналами данных, видеоконференцсвязь.
Прием телевизионных и звуковых программ.
Обмен телефонными и документальными
К4
≥25,3
2…3
(факс, телекс) сообщениями, сигналами данных. Прием телевизионных и звуковых программ.
* – значения G/T приведены при условии ясного неба, угле места β=10° и на центральной частоте рабочего диапазона приема;
** – меньшее значение диаметра антенны соответствует МШУ с низкой температурой шума (≤50°К).
К1
≥38,00
9…10
В целом успешная реализация проекта "LMI" выводит "Интерспутник"
на новый виток развития и позволяет на равных правах конкурировать с ведущими организациями, предоставляющими весь спектр телекоммуникационных услуг на самом высоком техническом уровне.
2.2.5. Проект системы спутниковой связи и вещания Украины "Либiдь"
Система "Либiдь" предназначена для решения задач фиксированной
связи и ТВ вещания на территории Украины. "Либiдь" - это коммерческий
проект, осуществление которого поможет удовлетворить потребности Украины и соседних стран в телерадиовещании, передаче данных, телефонии.
Конечная цель- создание единой спутниковой связи Украины. Зона обслуживания включает территорию Украины и прилегающие районы Азовского и
Черного морей, Балканы, часть Средиземноморья. Для организации фиксированной связи в зону обслуживания дополнительно включены регионы
Ближнего Востока и часть Центральной Европы.
Космический и наземный сегмент системы "Либiдь". Основа системы – украинский телекоммуникационный спутник "Либiдь". На Украине
65
есть возможность разработать значительную часть спутника. Основным разработчиком может выступить КБ "Южное", которое имеет большой опыт
разработки спутникового оборудования и создания спутников дистанционного зондирования Земли. Эту базу можно использовать для создания системы связи. Опыт разработок систем управления накоплен в Харькове, командных радиолиний - в Киеве. Украина располагает крупным Центром
управления (Национальный центр управления и испытаний космических
средств) в Евпатории. Для проектирования и изготовления электронного
оборудования предполагается привлечение западных технологий. Самая
главная проблема сейчас - создание наземной инфраструктуры под спутник и
достаточного количества наземных станций.
2.2.6. Системы спутниковой связи "Thuraya –1"
Проект "Thuraya" относится к классу GMPCS - Глобальная мобильная
персональная спутниковая связь. В качестве названия проекта было выбрано
название группы звезд в созвездии Тельца. Проект был заказан консорциумом из ОАЭ во главе с компанией "Thuraya Satellite Telecommunication
System". Контракт на изготовление, поставку двух космических аппаратов
проекта (рабочего и резервного), их страховку и изготовление наземного
комплекса "под ключ" был заключен в 1997 г. с известным разработчиком
геостационарных спутников "Hughes Space and Communication Company" на
сумму 1,1 млрд. дол. США. Запуск осуществляла компания "Boeing Satellite
Systems (BSS)". Это же фирма получила заказ на изготовление и запуск второго и третьего аппаратов проекта. Все они используют широко известную,
многократно проверенную на практике платформу "Hughes 702 Geomobile",
которая получила новое обозначение "Boeing 702 GEM". Срок службы спутников "Thurayа" оценивается в 12…15 лет.
После тестирования на орбите первый аппарат "Thuraya-1" переведен в
рабочую точку стояния на геостационарной орбите 44° в.д. над Индийским
океаном. Это чрезвычайно выгодная позиция для обслуживания наиболее
заселенных и промышленно развитых стран Европы, Северной и Центральной Африки, Средней Азии, Ближнего Востока и Индии. Всего планируется
обслуживание 99 стран, включая Украину, территории которых составляют
до 40% земной суши, а число активных пользователей услугами проекта может составить до 1,8 млрд. человек.
Формирование зоны покрытия осуществляется с помощью 250-300 узких лучей с высоким энергопотенциалом, формируемых на борту цифровым
способом. Антенная система спутника гибридного типа состоит из разворачиваемого в космосе на ферме сетчатого отражателя и многоэлементного
облучателя с комбинированным амплитудно-фазовым управлением. Динамическое цифровое управление лучами позволяет предоставлять пользовате-
66
лям по требованию выбранные направления связи по всей зоне обслуживания одновременно для 13750 телефонных каналов на луч. Еще одной особенностью проекта является адаптивное управление уровнем мощности луча,
что обеспечивает энергетический запас в линии связи – 10 дБ. Спутник
"Thuraya-1" работает в L-диапазоне, специально отведенном для спутниковой подвижной связи. Передача Земля-Космос осуществляется в полосе частот
1626,5…1660,5 МГц, а Космос-3емля, соответственно, в диапазоне
1525…1559 МГц.
Космический и наземный сегмент системы "Thuraya-1". Успешный
коммерческий запуск 18 октября 2000 г. украинской ракетой 3eнит-3SL в
составе комплекса "Морской старт" (Sea Launch) с платформы Odyssey в
Тихом океане арабского спутника связи "Thuraya-1" вызвал в Украине интерес к этому проекту специалистов и широкой общественности, так как его
использование может иметь значительное значение для страны.
Космический сегмент проектируется в полном составе из 2-3 спутников
для охвата всех густонаселенных зон земного шара. Пользовательский сегмент планируется в составе ручных терминалов, автомобильных и морских
судовых терминалов, домашних или офисных беспроводных телефонных
аппаратов и таксофонов с питанием от солнечных батарей для сельских районов и вдоль автомагистралей с оплатой с помощью карточек типа SIM.
Таксофоны будут охвачены службой IVR – Interactive Voice Response,
когда на таксофон возможно осуществлять обратный вызов и получение
факса.
Все терминалы "Thurаya-1" могут работать как через спутник, так и через сотовую сеть GSM. Переход с одного режима на другой осуществляется
автоматически. Именно таким способом обеспечивается сплошное перекрытие зон обслуживания как по земле (там, где есть соты GSM), так и через
космос, в зонах, где нет покрытия GSM. Качество голосовой спутниковой
связи сравнимо с качеством GSM, так как связь между подвижными терминалами в пределах одного региона осуществляется одним "скачком" с перекоммутацией на борту. При выходе в службы связи других регионов коммутация осуществляется через наземные операторские службы в два скачка.
Другие режимы работы терминалов:
• передача цифровых данных в одном из трех форматов: 2,4; 4,8 и 9,6
Кбит/с;
• передача факсимиле в стандарте ITU-TG3 на тех же скоростях;
• передача коротких сообщений (SMS) и канала тревоги 911.
Терминалы содержат последовательный интерфейс для связи с ПК и
факсом. Кроме того, в них штатно встроены платы приемника глобальной
спутниковой навигации GPS, обеспечивающие реальную точность до 5…10
м.
67
Представляет интерес тот факт, что между операторами "Thurаya" и
"Inmarsat" подписан Меморандум о взаимопонимании (MoU), по которому в
системе "Thurаya-1" будут осваивать режимы "Inmarsat", в частности, такие,
как "Inmarsat –B" и "Inmarsat -М4" со скоростями
64 Кбит/с. Совместно
также исследуется возможность реализации скорости передачи 144 Кбит/с,
при которой возможна передача оперативной видеоконференции и Интернет.
В последних вариантах вместо штатных коротких спирально-штыревых антенн терминалы оснащаются малогабаритными плоскими полосковыми антенными решетками, направляемыми на спутник.
Наземный служебный сегмент состоит из штатных служб телеметрии,
слежения и управления космическим сегментом и главной шлюзовой станции (Gateway), обслуживающей весь связной трафик. При необходимости
для обслуживания больших территориальных и национальных потоков связи
можно организовать локальные станции в пределах зоны покрытия. Главная
шлюзовая станция соединена магистральной волоконно-оптической линией
связи с внешними сетями связи общего применения (международными и
локальными).
2.3. Спутниковые системы подвижной и персональной связи
основе негеостационарных ИСЗ
на
2.3.1. Принципы организации и характерные особенности построения орбитальной группировки для систем на основе негеостационарных ИСЗ
Наибольшее количество проектов систем спутниковой связи (и большинство реально существующих спутниковых систем связи) используют
геостационарные космические аппараты, которые, располагаясь на высоте
примерно 36 тыс. км, постоянно находятся над определенной точкой земной
поверхности и обеспечивают обслуживание абонентов без перерывов, обусловленных взаимным перемещением спутника и терминала пользователя.
Срок службы такого спутника 10…15 лет, а зона обслуживания – 41% поверхности Земли. Система из трех- четырех спутников позволяет охватить
всю земную поверхность, кроме высокоширотных районов. Например, в ведомственных сетях России действует более 200 наземных станций, предназначенных для работы с геостационарными спутниками. Вместе с тем загрузка ресурса геоцентрических спутников "Горизонт" уже сейчас составляет около 90%, а число заявок продолжает расти.
Определяющей тенденцией развития техники связи в начале XXI века
стало создание систем подвижной и персональной спутниковой связи, интегрированных с наземными сетями связи. Отличительной особенностью рынка
услуг персональной связи является использование ИСЗ на низких (700…2000
68
км) и средних (7000…12000 км) орбитах, хотя определенная конкуренция
наблюдается и со стороны систем, использующих традиционную геостационарную орбиту. Несомненные достоинства систем персональной связи с ИСЗ
на негеостационарной орбите – глобальный охват обслуживаемой территории и возможность интеграции с наземными сетями сотовой и транкинговой
связи.
Поскольку по международным нормам угловое расхождение между
спутниками не должно быть менее одного градуса, количество их на геостационарной орбите ограничено. Поэтому в начале 90-х годов на рынке связи
появились проекты спутниковых систем на низких и средних орбитах, которые отличаются прежде всего "миниатюрными" летательными аппаратами.
По сравнению с геостационарными низкоорбитальные и средневысотные спутники позволяют обеспечить совсем иные способы доступа абонентов, поддерживая связь с менее мощной наземной аппаратурой, например, со
специальным телефоном типа сотового. Системы, использующие низкие орбиты (высотой 700…1500 км), обладают улучшенными энергетическими
характеристиками по сравнению с системами на высоких орбитах, но проигрывают им в сроках активной эксплуатации спутника. Так, если период обращения низкоорбитального спутника составляет 100 мин, то примерно 30 из
них он находится на теневой стороне Земли. Соответственно аккумуляторные батареи должны выдерживать в среднем 5000 циклов зарядки/разрядки в
год. Один низкоорбитальный спутник способен охватить не более 6…7%
территории Земли.
Более короткие линии спутниковой связи "вверх" и "вниз" через низкие
и средневысотные орбиты, в сравнении с геостационарной, обеспечивают
меньшее ослабление сигнала и время запаздывания. Кроме того, они позволяют охватить приполярные районы (с полярных орбит). Однако в таких
системах для организации непрерывной связи недостаточно иметь один
спутник, поэтому используется орбитальная группировка из десятков спутников, занимающих несколько орбит. Каждый из спутников группировки
имеет ограниченную зону обслуживания, для глобального охвата необходима связь между этими ИСЗ. Она обеспечивается разными способами в разных проектах.
Трасса средневысотных спутников проходит на высоте 5…15 тыс. км.
Один спутник может охватить около 25% поверхности Земли, что существенно больше зоны низкоорбитального спутника. Период его обращения на средневысотной орбите составляет около 6 ч, при этом всего лишь несколько минут спутник проводит в тени Земли, поэтому длительность циклов и частота
зарядки/разрядки его солнечных батарей в несколько раз меньше, чем у низкоорбитальных систем. Это значительно увеличивает срок службы спутника. Для
круговых орбит с высотой 10 тыс. км средняя продолжительность обслужива-
69
ния составляет около 50 мин. (для сравнения: в низкоорбитальной системе
"Iridium" средняя продолжительность сеанса приближается к 6 мин, а в
"Globalstar "– 7 мин.).
Преимущество средневысотной орбиты в сравнении с низкой в том, что
первая лежит между радиационными поясами Земли, в то время как вторая внутри первого пояса. Поэтому срок службы для систем MEO 15 лет, для
LEO - 5...7 лет, что существенно влияет на их стоимость.
Сравнение проектов MEO и LEO позволяет отметить, что для полного
покрытия Земли в варианте МЕО используется 10...12 ИСЗ. Первоначально
для обслуживания нескольких регионов достаточно шести ИСЗ. Это позволяет обеспечить запуск спутников связи и развертывание системы МЕО гораздо быстрее, чем системы LEO.
Важно также сравнить системы по значению углов места для земных
станций. В системах GEO- малые углы места при высоких широтах ЗС. В
проектах LEO нужно располагать существенно большим числом ИЗС, чтобы
обеспечить глобальное покрытие даже при малых углах места. Высокие углы
места- одно из важных достоинств МЕО.
В структуре систем LEO и MEO предусмотрены следующие важные
составляющие: космический сегмент, оконечный сегмент персонального
пользователя (абонента); центр управления связью; центр управления связью; центр управления спутниками; линии радиосвязи. Земной сегмент содержит шлюзовые (базовые) станции (ШС), обеспечивающие выход в сеть
общего пользования.
Орбитальная группировка позволяет поддерживать связь по мобильным
линиям (с персональными терминалами абонентов) и по фидерным линиям
(со шлюзовыми станциями), а в некоторых проектах также связь внутри орбитальной группировки. Международными соглашениями (ВАКР в 1992г. и
ВРК в 1995г.) для связи выделены полосы частот в L, S, Ka и C-диапазонах.
2.3.2. Спутниковая система связи "Globalstar"
"Globalstar" - низкоорбитальная спутниковая цифровая система связи,
предоставляющая услуги беспроводной портативной телефонии и другие
телекоммуникационные услуги по всему миру. Обслуживание "Globalstar"
осуществляется через 48- спутниковую низкоорбитальную систему, которая
обеспечивает беспроводную телефонную связь в любой части мира, где обслуживание "Globalstar" разрешено местными законодательством.
"Globalstar" запустил свои первые спутники в начале 1998 г., в первом
квартале 2000 г. начато коммерческое использование. "Globalstar" планирует
введение высококачественных и недорогих услуг, таких как прием/передача
компьютерных данных, коротких сообщений, факсимильной и голосовой
связи. Глобальный роуминг – услуга, разработанная для владельцев сотовых
70
телефонов "Globalstar", позволит путешествовать по миру, передавать и принимать телефонные звонки вне зоны обслуживания обычных абонентов.
"Globalstar" осуществляет доступ к своей системе через всемирную сеть
региональных и местных сервис провайдеров, включая стратегических партнеров, "AirTouch Communications", "France Telecom/Alcatel", "Vodafone",
"Elsag, "China Telecom" и "Loral Space & Communications LTD". Каждый сервис-провайдер имеет исключительное право предоставлять услуги "Globalstar" в своей зоне обслуживания. Эти станции получают и передают сообщения через спутники "Globalstar" и обеспечивают связь между спутниковой
системой, мировыми фиксированными коммуникационными сетями и территориальной сотовой сетью. Система предоставляет следующие виды услуг с
высоким уровнем качества:
− телефония (передача голоса);
− передача данных;
− факсимильная связь;
− передача и прием коротких сообщений;
− глобальный роуминг;
− определение местоположения объекта;
− голосовая почта;
− вызов аварийных служб.
71
Космический
сегмент
Сегмент
пользователя
Стационарное
абонентское
устройство
таксофон
Портативное
абонентское
устройство
Мобильное
абонентское устройство
Наземный
сегмент
ЦУКС
ЦУНС
ЦУПУ
Сотовая
сеть
Частная
сеть
Станция сопряжения
Станция сопряжения
Междугородняя
сеть
Местная проводная
сеть
Международная
сеть
Рисунок 2.18 – Структура взаимодействия сегментов в сети "Globalstar"
Предполагается, что успех "Globalstar" будет получен за счет предоставления потенциальным пользователям связи высококачественное обслуживание по всему миру по низким ценам. Введение доступных по цене телефонов-автоматов "Globalstar" будет способствовать быстрому развитию систем связи развивающихся стран. Система "Globalstar" планирует вложить
огромные средства на установку автономных телефонов в отдаленных участках земного шара. При этом доступ к современной связи получат люди, которые никогда ранее не имели возможности использовать телефонную связь.
В системе "Globalstar" используется сеть спутников LEO, а сама система состоит из трех основных сегментов - космического, пользовательского, наземного (см. рисунок 2.18).
Космический сегмент "Globalstar". Компания "Globalstar" осуществила успешный запуск первых четырех спутников с Мыса Канаверал
(Флорида, США) 14 февраля 1998 г. Первые четыре низкоорбитальных спутника производства "Space Systems/ Loral" были запущены ракетоносителем
72
"Дельта II" фирмы Боинг. Спутники выведены на рабочие орбиты высотой
1414 километров.
15 апреля 1999 г. "Globalstar" объявил о третьем в 1999 году успешном
запуске четырех низкоорбитальных коммерческих спутников связи с космодрома Байконур в Казахстане с использованием ракеты-носителя "СоюзИкар". Ракетоносители "Союз-Икар" производятся компанией "Starsem", созданной на базе четырех крупнейших организаций в области космических
технологий - европейской секции "Arianespace", французской "Aerospatiale",
Российского Космического Агентства (РКА) и Центрального Самарского
Космического Бюро (ЦСКБ) "Прогресс". В феврале 2000 г. завершено формирование спутниковой группировки в составе 48 основных и 4 резервных
спутников.
Выбор орбит этого проекта обеспечивает связь для районов Земли между 70° с.ш. и 70° ю.ш.; предусмотрено постоянное покрытие земного абонента одновременно двумя ИСЗ; непрерывная автоматизированная передача
абонента от луча к лучу и от ИСЗ к ИСЗ; применение шумоподобных сигналов. Использование ШПС позволило значительно упростить требования к
развязке между лучами многолучевых антенн, что дает возможность использовать во всех лучах одни и те же частоты, т.е. 16-ти кратное повторение
диапазона частот.
Важной особенностью системы "Globalstar" является автоматизированная передача абонента от луча к лучу и от ИСЗ к ИСЗ при достаточно большом числе земных станций.
Спутники "Globalstar" размещены на низких земных орбитах в восьми
орбитальных плоскостях по шесть спутников в каждой плоскости с высотой
орбиты 1414 километров при наклоне плоскостей орбиты 52° (рисунки 2.19,
2.20). При такой высоте орбиты период вращения ИСЗ вокруг земного шара
составляет 113 минут. ИСЗ имеют стабилизацию по трем осям и состоят из
трапецеидальной основной части (выбор такой формы основной части облегчает запуск нескольких спутников на одном ракетоносителе) и двух
складных солнечных батарей (рис.2.21). На спутнике установлены антенны
C-диапазона для связи с земными шлюзами и антенны L и S-диапазонов для
связи с терминалами пользователей. Антенны выполнены на основе многолучевых антенных решеток, формирующих 16-лучевую диаграмму направленности. Активная ФАР состоит из 61 элемента в L- диапазоне частот и из
92 элементов в S- диапазоне частот. В каждом луче передается 13 парциальных частотных каналов полосой 1,25 МГц (общая полоса 16,5 МГц). Для
компенсации потерь на распространение крайние лучи имеют усиление
большее, чем центральные. В результате создается равномерный уровень
плотности потока мощности в локальной рабочей зоне отдельных ИСЗ. При
этом на земной поверхности образуются зоны обслуживания диаметром не-
73
сколько тысяч километров, внутри которых возможна коммутация на любой
частоте стандарта CDMA.
Рисунок 2.19 – Структура орбитальной группировки "Globalstar"
Рисунок 2.20 – Схема размещения зон покрытия "Globalstar"
Антенна фидерной радиолинии работает в C диапазоне частот и имеет
два луча (точка прицеливания общая), развязанные по поляризации, которые
покрывают локальную рабочую зону ИСЗ. В данном случае, в отличие от
74
многих геостационарных спутников, не использовались складные антенны.
Масса ИСЗ близка к 450 килограммам. Для работы оборудования ИСЗ необходима мощность около 1100 Вт. Спутники первого поколения имеют срок
функционирования на орбите 7,5 лет.
Низкая орбита спутников "Globalstar" позволяет избежать нежелательных эффектов, связанных с задержкой сигнала. Время передачи сигнала через спутники системы "Globalstar" намного короче по сравнению с системами, которые требуют обработки сигналов вызова на борту спутника, что сводит на нет эффекты эха и замирания сигнала.
Основная часть ИСЗ
Передатчик S- диапазона;
передатчик Ñ- диапазона;
приемники L и C- диапазонов
Система управления;
цифровые контроллеры
термостабилизация;
двигатели корректировки
Четыре панели складных
солнечных батарей
394 см
1076 см
152см
462 см
Рисунок 2.21 – Габаритные размеры ИСЗ "Globalstar"
Следует отметить высокую надежность системы, поскольку в системе
используются спутники, являющиеся простыми ретрансляторами без коммутации сигналов на борту. Характеристики аппаратуры ретрансляции представлены в таблице 2.7.
75
Таблица 2.7 – Характеристики ретрансляционной аппаратуры ИСЗ
"Globalstar"
Радиолиния
Коэффициент усиления
передача
антенны, дБ
прием
ЭИИМ отнесенная к цифровому потоку
2,4 кбит/с с полосой частот 1,25 МГц, дБВт
Общая мощность излучения, Вт
Добротность G/T, дБ/К
Абонентская
Фидерная
12...17
-
1,0
3,6
-2,9
-27,7
240
-10
141
-13,7
Наземный сегмент системы "Globalstar". Наземный сегмент
"Globalstar" включает в себя центр управления связью и полетами, а также
региональные станции сопряжения, которые обеспечивают коммутацию с
сетью общего пользования, осуществляют внешний роуминг и ведут учет
вызовов. Запланировано строительство 38-ми станций сопряжения. В апреле
2000 г. готовы к работе 13
станций. Украину обслуживает станция сопряжения, размещенная в Финляндии (GW 20).
Для управления всей
системой и контроля станции сопряжения будут
поддерживать связь друг с
другом и с центром
управления по наземным
выделенным каналам передачи данных (предположительно Е1/Т1) или по
каналам сотовой сети
PLMN (в стандарте AMPS
или GSM).
Главный
центр
управления связью располагается в Сан-Хосе (штат
Калифорния, США) и начал свою работу в июле
Рисунок 2.22 – Следящая антенна
1997 г. Резервный центр
системы "Globalstar"
управления связью нахо-
76
дится в Эль-Дорадо (шт. Калифорния).
В состав оборудования наземной станции входит антенный комплекс,
поставляемый Alcatel, а также высокочастотное и коммутационное оборудование компании Qualcomm. Терминал имеет следящую антенну диаметром
3,4 м (рисунок 2.22). При этом используется четыре полноповоротные антенны (три обеспечивают слежение за ИСЗ, четвертая находится в режиме
ожидания входящих в зону видимости ИСЗ). Согласно расчетам для охвата
всей планеты с учетом национальных границ и для минимизации наземного
трафика потребуется около 210 станций. Первые наземные станции были
построены в 1997 году во Франции, Южной Корее, США и Австралии.
Российский наземный сегмент системы "Globalstar" включает 3 станции
сопряжения, расположенные под Москвой, Новосибирском и Хабаровском.
Станции обеспечат покрытие на всей территории России южнее 70-й параллели с гарантированным качеством обслуживания. Зоны действия "Globalstar" в России представлены на рисунке 2.23.
Рисунок 2.23 – Зоны действия системы "Globalstar" в России
Система управления передачей данных и обработки сигнала, сосредоточенная на наземных станциях, использует технологию CDMA. Архитектура
сети построена таким образом, что все запросы (как местные, так и международные) обрабатываются и коммутируются в наземной станции сопряжения
с последующей передачей в наземную сеть общего пользования, обеспечивая
связь с абонентскими терминалами "Globalstar" и основными наземными
телефонными и сотовыми сетями. По мнению участников проекта, данная
технология предоставляет более надежную связь, чем при использовании для
маршрутизации межспутниковых каналов.
Для работы системы выделены частотные ресурсы в соответствии с
требованиями МККР (таблица 2.8).
77
Таблица 2.8 – Частотные ресурсы выделенные для системы "Globalstar"
Линия
связи
Вверх
Вниз
Мобильные линии
Диапазон
Полоса частот, МГц
L
S
1610...1626,5
2483...2500
Фидерные линии
Диапазон
Полоса частот, МГц
C
C
5091...5250
6875...7055
Сеть оснащается абонентскими терминалами
трех типов: портативными (трубка, аналогичная
сотовому
телефонному аппарату, см. рисунок
2.24), мобильными
(устанавливаемыми
на
транспортных
Рисунок 2.24 – Внешний вид терминалов
средствах) и ста"Globalstar"
ционарными
(таксофон). Компания "Qual-comm", разработчик портативных и мобильных
аппаратов, предполагает выпуск трех видов устройств: трехмодовые
(Globalstar/AMPS/CDMA), двухмодовые (Globalstar/ GSM) и одномодовые
(Globalstar). Их главная особенность - специальная схема регулировки мощности передатчика, способная обеспечить безопасный уровень мощности
сигнала (мощность передатчика может быть уменьшена без потери качества
сигнала с 400 мВт до 2 мВт). Абонентский терминал "Globalstar" может работать при наличии только одного спутника в поле прямой видимости, хотя в
большинстве случаев над пользователем будет находиться от двух до четырех спутников. Поэтому потеря связи с одним из спутников не приведет к
потере сигнала. Каждый терминал будет обрабатывать получаемые сигналы
со спутников таким образом, чтобы добиться максимального качества связи.
Расчетное время установления соединения не более 30 с, задержка сигнала
не более 150 мс, скорость передачи - до 9,6 Кбит/c. Основные характеристики наземных станций представлены в таблице 2.9. Стоимость мобильного
терминала на 1 февраля 2001г. составляла 400…900 долларов. Стоимость
одной минуты разговора 1…3 доллара.
78
Таблица 2.9 – Технические характеристики наземных станций системы
"Globalstar"
Абонентская
Центральная
Характеристика
аппаратура
станция
Коэффициент усиления передача
2,6
антенны, дБ
прием
2,6
42,4
Добротность G/T, дБ/К
-22
18,5
Мощность излучения, Вт
0,5
Так же, как в ССПС "Iridium", прежде чем установить связь, мобильный
терминал "Globalstar" должен будет сначала проверить возможность работы
в наземной сотовой сети связи и лишь при невозможности этого будет устанавливаться соединение через спутник. В этом случае сигнал с абонентского
терминала будет передаваться через спутник на ближайшую земную станцию сопряжения, которая соединит его с требуемым абонентом обычной
телефонной сети, сотовой сети или с абонентом системы "Globalstar". Принцип действия системы иллюстрируется рисунком 2.25. Мировой роуминг
позволит дозвониться до абонента по одному и тому же номеру, вне зависимости от его географического местоположения.
Следует также отметить, что связь устанавливается только в зоне прямой видимости спутника, то есть на открытом пространстве. В помещении
терминал не работает, а на улицах городов с высокой застройкой телефон
работает нестабильно, так как при неизменном положении абонента спутник
периодически «заходит» за строения.
Рисунок 2.25 – Схема взаимодействия элементов системы "Globalstar"
Для организации системы на Российском сегменте был принят следующий план нумерации. Формат номера абонента на Российском сегменте имеет вид: 7 DEF ab ХХХХХ,
79
где 7 – код всемирной зоны нумерации, присвоенный России;
DEF – код негеографической зоны нумерации (равный "954");
ab – индексы, определяющие станцию сопряжения (Московская стан ция
– 21; Новосибирская станция –22; Хабаровская станция –23);
ХХХХХ - зоновый номер абонента.
2 ноября 2000 года Российская компания "ГлобалТел" объявила о начале полной коммерческой эксплуатации системы глобальной персональной
подвижной спутниковой связи "Globalstar" на всей территории России. По
планам "Globalstar" до 2005 года в России предполагается сооружение 9
станций сопряжения, обслуживающих 260 тыс. пользователей. Некоторые
технические характеристики проекта представлены в таблицах 2.9 и 2.21.
После 2004 года, когда система выработает свой ресурс, компания
"Globalstar" планирует замену существующей аппаратуры первого поколения
на усовершенствованную аппаратуру системы
"Globalstar-II", которая
обеспечит более высокую скорость передачи информации, улучшенное качество работы и большее число каналов.
В настоящее время в Украине сформировался определенный спрос на
услуги "Globalstar". Так, с 16 августа 2000 года оператор сотовой связи "Киевстар Дж.Эс.Эм" начал предоставлять новую услугу мобильной спутниковой связи на основе системы "Globalstar" через шлюзовую станцию GW 20,
расположенную в Финляндии. Абоненты мобильной связи получили возможность пользоваться телефоном на всей территории страны и за ее пределами, в том числе и там, где нет покрытия земных систем.
Практическое исследование системы на примере спутникового терминала "Telit SAT 550" показало, что нижняя граница разборчивости речи в
системе "Globalstar" соответствует 3-му классу качества - понимание передаваемой речи с напряженным вниманием, без переспросов и повторений.
К 1 июня 2001 года услугами системы "Globalstar" пользуются 66 стран.
2.3.3. Спутниковая система связи "Iridium"
Идея системы низкоорбитальных спутников спутниковой сети "Iridium"
была предложена в 1987 году компанией "Motorola". Изначально предполагалось охватить поверхность земного шара 77 спутниками, вращающимися
вокруг Земли. Химический элемент иридий, имеющий 77 электронов, "подарил" название будущей сети. Позднее авторы проекта рассчитали, что за счет
увеличения числа лучей в каждом спутнике можно будет обойтись 66 спутниками, однако красивое имя осталось. Система обеспечивает все виды связи
для подвижных и стационарных абонентов, а также высококачественное
спутниковое радиовещание.
В 1993 году консорциум "Iridium" подписал контракт на приобретение
системы спутниковой связи у компании "Motorola" и объявил о начале реа-
80
лизации проекта. Основные производители оборудования: компании
"Lockheed", "Motorola", фирма "Com Dev" (Канада).
Основная концепция сети "Iridium" заключается в создании "общей зоны обслуживания", которая обеспечивается межспутниковыми каналами
связи и кластеризацией лучей спутника. В системе "Iridium" кластерами
называют группу лучей спутника (каналов с задаваемым 12-лучевым шаблоном набора частот, специально подбираемых так, чтобы избежать интерференционных искажений), которые могут повторно использоваться соседними
кластерами. По мнению разработчиков, этот способ формирования "сот" общей области обслуживания обеспечивает надежную передачу информации
между каналами.
Первая всемирная спутниковая система мобильной персональной
связи "Iridium" предлагает следующие услуги:
− мобильную телефонную связь в любой точке земного шара;
− мобильную телефонную связь в любом стандарте сотовой связи;
− простой в использовании мобильный портативный телефонный аппарат;
− единый телефонный номер;
− единый счет за услуги;
− всемирный буквенно-цифровой и цифровой пейджинг;
− услуги круглосуточной службы абонентского обслуживания.
Система "Iridium" открывает широкие возможности для пользователей
спутниковой связи.
Космический сегмент "Iridium". Первый спутник сети "Iridium" был
запущен в январе 1996 года. В мае 1998 г. полностью завершено формирование основной спутниковой группировки.
Вывод спутников на орбиту производили: корпорация "McDonell
Douglas" (ракетоносители "Delta II"), Российский космический центр им.
Хруничева ("Протон") и китайская компания "Великая Стена" (ракетоноситель "Long March Iic"). Структура орбитальной группировки показана на
рис.2.26. Орбитальная группировка состоит из спутников на низких круговых орбитах, размещенных в шести орбитальных плоскостях по 11 рабочих
ИСЗ в каждой. Наклонение орбит 86,4°. Такое построение группировки гарантирует, что любой участок земной поверхности в любой момент находится в поле видимости, по крайней мере, одного ИСЗ. Высота орбиты 780 км,
период обращения около 100 минут. Резервные ИСЗ находятся на орбите
высотой 650 км.
81
Рисунок 2.26 – Структура орбитальной группировки "Iridium"
Связь между спутниками поддерживается на частотах в Ка-диапа-зоне
(от 23,18 до 23,38 ГГц) со скоростью передачи информации 25 Мбит/c (реализуется с помощью четырех антенн типа щелевых решеток), а связь с абонентами – в L-диапазоне частот (1616…1626,5 МГц).
Каждый ИСЗ имеет линии связи с двумя шлюзовыми станциями, которые реализуются с помощью двух адаптивных ФАР. Линии радиосвязи для
шлюзовых станций используются на шесть частотных каналов со скоростью
передачи в канале 12,5 Мбит/с, что позволяет организовать 600 телефонных
каналов в стандартном режиме или 1300 каналов при сжатии речи. Основные
радиотехнические характеристики ретансляционной аппаратуры представлены в таблице 2.10.
Таким образом, обеспечивается 1100 полнодуплексных каналов со скоростью передачи пакетов около 50 Кбит/с. Выбранная архитектура сети позволяет реализовать переадресацию сигнала на спутники, находящиеся на
той же или соседней орбите, а также обеспечивать роуминг в течение неограниченного времени без нарушения связи. Для контроля бортового оборудования и межспутниковой связи предусмотрено использование компьютера
"SVARC" на базе нескольких процессоров "PowerPC 603". Большую часть
бортового оборудования выпустит "Motorola", создавшая поточную линию
по производству спутников.
Таблица 2.10 – Основные характеристики аппаратуры ретрансляции
системы "Iridium"
82
Радиолиния
Абонент Фидерская
ная
Межспутниковая
Коэффициент усиления антенны, дБ
передача
прием
Потери в трактах на передачу, дБ
24,2
23,9
2,1
Мощность передатчика (в луче), Вт
3,5
Добротность, G/T, дБ/К
-3,1
-10
5,3
-
14,5
37,9
ЭИИМ, дБ
Многолучевая антенна ИСЗ представляет собой адаптивную фазированную антенную решетку (АФАР). На каждом ИСЗ шесть таких АФАР.
Каждая из них создает восемь узких лучей. На Земле каждый луч формирует
парциальную зону обслуживания – соту диаметром 740 км. Один спутник
обслуживает зону из 48 сот, диаметр этой зоны около 5185 км. Всего количество сот, формируемых орбитальной группировкой 48×66=3168, реально их
количество меньше, около 2150. Они образуют квазисплошную зону на поверхности Земли. Совокупность из соседних восьми сот образуют кластер,
так, что в смежных сотах используются разные частотные каналы, которые
периодически повторяются. В одной соте абоненты работают на одних и тех
же частотах в режиме многостанционного доступа с временным разделением. Продолжительность кадра составляет 60 мкс и включает семь временных
интервалов для передачи и семь для приема.
При перемещении спутниковой группировки относительно абонентских
устройств системы "Iridium" перемещается и образуемая сотовая структура.
Примерно один раз в минуту ячейка, обслуживающая конкретного абонентов, формируется различными лучами одного ИСЗ. Примерно один раз в
пять минут эту ячейку начинает обслуживать луч другого ИСЗ. При этом
связь между абонентами поддерживается непрерывно.
Наземный сегмент системы "Iridium". Наземный комплекс должен
осуществлять связь с наземными сетями общего пользования и биллинг (учет
вызовов и времени разговора абонента). Особенностью архитектуры
"Iridium" является отсутствие координирующих региональных станций для
связи абонентов, необходимых в таких сетях, как "Globalstar" или "Inmarsat".
Зона обслуживания охватывает не только всю земную поверхность, но и воздушное пространство высотой до 180 км, что позволит курировать авиацию.
Связь между абонентами осуществляется через спутниковую сеть с использованием наземных станций сопряжения. В производстве оборудования
участвуют компании "Siemens" (коммутирующие устройства) и "Scientific
83
Atlanta" (антенный комплекс). Основные функции станции сопряжения - соединение сети спутников с наземными телефонными сетями общего пользования, учет вызовов и времени разговора абонента. При этом, если в регионе
пребывания пользователя отсутствует наземная сотовая система радиотелефонной связи, то радиотелефон "Iridium" связывается напрямую с ближайшим спутником и далее - с нужным абонентом или с наземной станцией сопряжения. В настоящее время выпускаются станции сопряжения четырех
конфигураций – на
30 тыс., 60 тыс., 90 тыс. и 120 тыс. абонентов. Общее
число станций сопряжения составляет примерно 250. Основные характеристики станций сопряжения представлены в таблице 2.11.
При этом каждая шлюзовая станция состоит из трех спутниковых терминалов, быстродействующего процессора и коммутационного оборудования. Быстродействующий процессор идентифицирует персональный терминал и формирует адресацию. Коммутационное оборудование реализует интерфейс между шлюзовой станцией и телефонной сетью общего пользования.
Для работы системы выделены частотные ресурсы в соответствии с
требованиями МККР (таблица 2.12). В системе используется комбинация
частотного
и
временного
методов
многостанционного
доступа
FDMA/TDMA. FDMA используется для разделения смежных лучей; TDMA –
для многостанционного доступа в каждой парциальной зоне (соте).
Таблица 2.11 – Основные характеристики станции сопряжения "Iridium"
Диаметр антенны, м
≥3,5
Коэффициент усиления, дБ
передача
54
прием
57,5
Добротность G/T, дБ/К
23,2
ЭИИМ, дБВт
51,4 / 77,4
Углы наведения антенны, град
азимут
0...360
угол места
5...90
Скорость передачи, Мбит/с
12,5
Таблица 2.12 – Частотные ресурсы, выделенные для связи системе "Iridium"
Мобильные линии
Фидерные линии
Линия
Диапазон Полоса частот, Диапазон Полоса частот,
связи
МГц
ГГц
Вверх
L
1610...1626,5
Ka
29,1...29,4
Вниз
S
2483...2500
Ka
19,3...19,6
84
Принцип взаимодействия системы показан на структуре рис.2.27. Связь
по радиолинии "абонент- ИСЗ" осуществляется по 64 каналам. Разнос между
каналами составляет 160 кГц, а полоса частот каждого канала – 126 кГц. В
радиолинии "ИСЗ- абонент" организовано 29 каналов с разносом 350 кГц и
полосой частот каждого канала 280 кГц.
Кадры TDMA для радиолиний "вверх" и "вниз" идентичны по структуре, но отличаются по скорости передачи. Скорость передачи информации в
линии "ИСЗ-абонент" составляет 400 Кбит/с, а в линии "абонент-ИСЗ" – 180
Кбит/с. Метод модуляции QPFK (квадратурная фазовая манипуляция).
Рисунок 2.27 – Структура взаимодействия компонентов "Iridium"
Составной частью наземного сегмента является MCF (Master Control
Facility), система управления и контроля, предназначенная для глобального
администрирования сети "Iridium", технической поддержки, а также для планирования запусков, отслеживания работоспособности спутников, мониторинга бортового оборудования, сбора и анализа телеметрии. Первая станция
MCF была построена в США, а резервная - в Италии.
85
Другим компонентом наземного сегмента является двухмодовый универсальный радиотелефон "Iridium", созданный фирмой "Motorola" на базе
цифровых методов обработки и передачи сигнала. Он обеспечивает связь с
любой региональной сотовой сетью (вставные заказные модули) и со спутниковой сетью "Iridium". В целях повышения эффективности ограниченной
полосы частот шириной 5,15 МГц
"Motorola" применила комбинацию
методов доступа: соединение частотного (FDMA) – на линии вверх и временного (TDMA) – на линии вниз,
разделения каналов. Терминалы будут
также поддерживать спецификации
CDMA и GSM. Кроме того, наличие в
радиотелефоне стандартного интерфейса RS-232 позволит осуществлять
передачу цифровых данных и факсимильных сообщений (см. рисунок 2.28
и таблицу 2.13).
Мультимодовый телефонный аппарат позволит расширить зону действия системы сотовой связи, поскольку рассчитан на двойной режим
работы: сотовый - для региональной
сети и спутниковый - для всемирной
связи. Многофункциональность достигается за счет сменных картриджей,
разработанных для различных стандартов сотовой связи. Установка карРисунок 2.28 – Внешний
триджей
в спутниковый телефон повид телефона "Iridium"
зволяет использовать его в качестве
сотового аппарата.
Носимые, мобильные и переносные терминалы обеспечивают дуплексную телефонную связь на скорости преобразования речи 2400 бод, для преобразования речи используется вокодер фирмы "Мотого1а" "VSELP 4800
BPS", при этом используется избыточное кодирование (R=1/2) декодирование по Витерби (К=7), пороговая вероятность ошибки 10 –-2.
Вес терминальной аппаратуры "Iridium" в четыре раза, а габариты в два
раза меньше, чем у существующих систем спутниковой связи, что позволяет
устанавливать оборудование "AirSat" и "SatTalk" на борту судна или летательных аппаратов любого типа.
86
Авиационный сервис "Iridium" обеспечивает постоянную высококачественную связь вне зависимости от маршрута, высоты и скорости полета. Глобальное покрытие земной поверхности позволяет пассажирам пользоваться
услугами связи непрерывно в течение всего времени полета. Помимо этого,
глобальное покрытие позволяет оптимизировать работу экипажа авиалайнера.
Таблица 2.13 – Технические характеристики спутникового телефона
"Iridium" серии 9500
Вес телефона
454 г (без картриджа)
Свыше 2 часов
(до 5 часов
В режиме
Время
разговора
в зависимости от типа батареи)
непрерывной
В режиме
Свыше 16 часов
(до 48 часов
работы
ожидания
в зависимости от типа батареи)
Скорость передачи данных
2400 бит/c
Рабочая частота, МГц
1621,35…1626,5 (L-диапазон)
Оптимальные условия
– 30°С / +60°С
эксплуатации
Энергетический запас линии 15,5 дБ (в среднем)
Мощность, Вт
0,57 (в среднем)
Чувствительность, дБм
–118,4
Метод дуплексирования
Временное разделение
Метод мультиплексирования TDMA / FDMA
Проблемы проекта "Iridium". В марте 2000 года проект "Iridium" был
признан финансово несостоятельным. Фактически система широко применялась только для телефонной связи, поскольку скорость передачи данных и
факсов 2,4 Кбит/с мало кого устраивает в наши дни и может использоваться
лишь для эпизодической и экстренной пересылки факсов и электронной почты во время путешествий. Местоположение можно определять с большей
точностью и дешевле с помощью системы GPS. Наиболее населенные территории развитых стран достаточно плотно “покрыты” наземными сотовыми
сетями подвижной связи. Оставшиеся территории, не охваченные сотовыми
сетями, – это либо малонаселенные районы мира, моря и океаны, либо развивающиеся страны с низким уровнем доходов населения и, следовательно,
низкой покупательной способностью. Если учесть, что стоимость мобильного терминала системы "Iridium" составляла 3000 дол., а минута разговора,
независимо от дальности – 7 дол., то легко представить, как немного желающих воспользоваться системой "Iridium" было бы, например, в России. За
87
два года опытной и промышленной эксплуатации проекта в системе
"Iridium" по разным данным, было от 10 до 55 тыс. абонентов. Это не окупало даже эксплуатационные расходы на проект, не говоря о возврате инвестиций в него. Проект "Iridium" опоздал с точки зрения современности концепции и был слишком дорог, чтобы выдержать конкуренцию с другими средствами подвижной связи, а там, где их нет, попросту оказался недоступен для
потенциальных пользователей.
2.3.4. Спутниковая система связи "Odyssey"
Проект "Odyssey" разрабатывался для обеспечения глобальной радиотелефонной связи и предоставления различных видов услуг персональной связи с помощью средневысотной группировки спутников (см. таблицу 2.20). В
системе предусмотрена возможность определения места нахождения потребителя с точностью до 15 км. Основным исполнителем является международная компания "Odyssey Telecommunication International (OTI)", финансирует программу группа компаний, в которую, кроме OTI, входят основные
инвесторы – "TRW Space & Technology Group" (США) и "Teleglobe" (Канада), а также ряд других фирм: "Spar Aerospace" (Канада), "Thomson CSF"
(Франция) и другие. Стоимость проекта составляет 2,5 млрд. долл. (В активе
компании TRW более 185 спутниковых, военных и научных космических
комплексов, а "Teleglobe" является крупнейшим телекоммуникационным
оператором в мире.) Для предоставления услуг планируется развернуть широкую сеть национальных фирм-операторов.
На первом этапе развертывания орбитальной группировки, который
продлился до 2000 года, в основных регионах в течение 14 часов в сутки были задействованы только 6 спутников. На следующем этапе была создана
полномасштабная орбитальная группировка из 12 спутников. Приоритетными зонами обслуживания сети Odyssey являются США, Европа, Азия и акватория Тихого океана.
Ожидается, что в 2005 году, после завершения развертывания системы
"Odyssey", число ее абонентов превысит 2 млн. В дальнейшем прогнозируется рост числа пользователей до 9 млн.
Космический сегмент "Odyssey". Спутники системы "Odyssey" планируется выводить на орбиту попарно ракетой-носителем Atlas IIА. Период
обращения спутника приблизительно 6 ч, а угловая скорость – около
1 град./мин. Космический сегмент системы "Odyssey" будет использовать
средневысотные круговые орбиты для глобального покрытия Земли и состоять из 12 КА. Спутники будут выведены на высоту
10 354 км в три орбитальные плоскости с наклонением 50° (в каждой плоскости – 4 КА). Масса
космического аппарата составляет 2500 кг, срок эксплуатации КА – до 15
88
лет. Мощность солнечных батарей спутника в конце расчетного срока его
существования составит 4,6 кВт.
Над большинством участков суши в зоне обслуживания будут одновременно находиться по 2 спутника, причем один из них обязательно не ниже 30
град. над горизонтом. Система в целом обеспечит обслуживание абонентов
на территории от 70 град. северной широты до 70 град. южной широты и
охватит зону протяженностью свыше 7 тыс. км.
Отличительная особенность системы "Odyssey" – квазистатичное покрытие поверхности Земли. Все спутники оснащаются многолучевыми антеннами, которые создают непрерывную сотовую структуру покрытия поверхности Земли, охватывающую (избирательно) только сушу и наиболее
судоходные акватории мирового океана. По мере движения спутника по орбите система позиционирования лучей будет отслеживать формирование
географически неподвижной сотовой структуры на обслуживаемой территории. Радиовидимость двух спутников обеспечивается под сравнительно высокими углами наблюдения практически с любых широт. Даже если для связи доступен лишь один спутник, его угол видимости окажется не меньше
30°, что гарантирует почти круглосуточное обслуживание (95% суточного
времени).
Таблица 2.14 – Параметры аппаратуры ИСЗ "Odyssey"
Радиолиния
Абонентская
Коэффициент усиления антенны, дБ
передача
25,3
прием
25,3
ЭИИМ, отнесенная к цифровому потоку 4,8
кбит/с с полосой частот 2,5 МГц, дБВт
22,4
Добротность G / T, дБ / К
-1,4
Фидерная
33
38,8
5,3
6,1
Связь в системе "Odyssey" организована на базе простого "прозрачного"
ретранслятора с преобразованием частоты; обработка информации на борту
спутника не предусмотрена (рисунок 2.29). Задержка сигналов в ретрансляторе не превышает 5 мс. Маршрутизация и обработка сообщений осуществляются на наземных станциях. Для передачи информации применяются широкополосные сигналы и многостанционный доступ с кодовым разделением
каналов (CDMA). Прием информации от абонентских терминалов ведется в
L-диапазоне (1610,0-1626,5 МГц), а передача - в S-диапазоне частот (2483,52500 МГц) с использованием круговой поляризации в обоих радиолиниях.
Технические параметры линии спутниковой связи представлены в таблице
2.14.
89
Рисунок 2.29 – Упрощенная структура системы "Odyssey"
Антенная система спутника создает на земной поверхности зону, образуемую 61 узким лучом, причем одни и те же зоны могут использоваться на
прием и на передачу. Для каждого луча выбирается одна пара несущих частот; коэффициент повторного использования частот - не ниже 6. Частотный
план функционирования абонентских линий (рисунок 2.30, а – линия "абонент-спутник", б – линия "спутник-абонент") предусматривает, что ширина
полосы частот в приемном луче составит 11,35 МГц, а в передающем - 16,5
МГц.
90
Рисунок 2.30 – Частотный план функционирования абонентских
линий "Odyssey"
Наземный сегмент "Odyssey" включает в себя базовые станции и терминалы. Двухрежимный радиотелефонный терминал обеспечивает работу в
сетях стандарта GSM, TDMA, CDMA, PHS, позволяя работать не только в
системе "Odyssey", но и в наземных сотовых сетях, доступ к которым является приоритетным.
Связь регламентирована так, что после определения свободных частот
вызов всегда направляется в адрес базовой станции сотовой сети. В случае
невозможности соединения с базовой станцией (вызов блокирован или все
частоты заняты) терминал автоматически передает запрос на спутник системы "Odyssey". При запросе спутникового канала пользователю автоматически назначается пара частот (каналы "вверх" и "вниз") в одном из лучей.
Передача речи осуществляется со скоростью 4,2 Кбит/с; вероятность
ошибки в речевом канале – не более 10 –3. Кроме речевой связи терминал
"Odyssey" поддерживает пейджинг, режим электронной почты, определение
местоположения абонента. Скорость передачи данных составляет 2,4…64
кбит/с; вероятность ошибки на бит - не более 10 –5.
Определение координат производится по собственным сигналам системы "Odyssey". Погрешность определения местоположения - не более 15 км.
Определяющей характеристикой сети персональной связи является задержка
сигнала. В системе "Odissey" при подключении мобильных пользователей к
телефонной сети общего пользования задержка сигнала составляет около 110
мс, что обеспечивает качественную передачу речевых сообщений (задержка
спутникового канала - 84 мс, задержка наземного тракта - 20 мс).
91
В сети не предусмотрены межспутниковые связи. Весь трафик данного
региона передается через узловые станции, связанные между собой многоканальными линиями связи. Узловая станция осуществляет не только прием/передачу регионального трафика, но и сопряжение с телефонной сетью
общего пользования, управление межлучевой коммутацией, прием и обработку телеметрии с борта спутника.
В состав базовых станций входят пять полноповоротных антенн диаметром 3,3 м. Каждая из антенн имеет возможность выполнять функции
ретрансляции. Антенны располагаются в радиусе 30 км от обрабатывающей
аппаратуры, что позволяет повысить надежность работы при неблагоприятных погодных условиях. Базовая станция имеет следующие характеристики:
коэффициент усиления антенны - 60 дБ; добротность G/T - 32 дБ/К; ЭИИМ 53,7 дБВт.
В каждом из обслуживаемых регионов предусмотрена установка по одной земной узловой станции, а для глобального охвата территории Земли
достаточно 7 станций.
Бортовые антенны спутника имеют узкую диаграмму направленности, а
приемные устройства спутников - высокую чувствительность, поэтому в
абонентских станциях можно применять передатчики с малой выходной
мощностью. Планируется выпустить две модификации абонентских терминалов, различающиеся выходной мощностью передатчика (0,5 и 5 Вт) при
добротности приемной системы
G/T = – 23,1 дБ/К. В конструкции
терминала предполагается использовать антенну типа "четырехзаходная
спираль" с коэффициентом усиления 2,5 дБ. Энергетический запас на линии
связи составит 6…10 дБ.
2.3.5. Спутниковая система связи "ICO"
В 1989 году в рамках компании "Inmarsat" была образована группа, получившая название "Проект XXI века". В ее задачи входило изучение возможностей мобильной спутниковой связи и разработка малогабаритного
персонального спутникового терминала. По результатам исследований руководством "Inmarsat" было принято решение построить систему "ICO" на базе
средневысотных КА. Для организации работ в рамках системы "ICO" была
создана фирма - оператор услуг подвижной персональной связи "IСО Global
Communications". "Inmarsat" является одним из крупнейших акционеров
"ICO". В настоящее время в концерн "ICO" входит 51 компания, три четверти которых - национальные или местные операторы сотовой связи, удерживающие более 25% мирового рынка сотовых систем. Примерная структура
взаимодействия составляющих системы показана на рисунке 2.31.
92
Абонентские линии
Фидерные линии
Портативный
терминал
Сеть передачи
данных
Сеть ISDN
Спутниковый
узел доступа
Сеть связи с
подвижными
объектами
Мобильный
терминал
Спутниковый
узел доступа
Сеть общего
пользования
Полуфиксированный
терминал
Самолетный
терминал
Центр управления
спутниковой
группировкой
Судовой
терминал
Абонентский сегмент
Космический
сегмент
Спутниковый
узел доступа
Сеть
ICONET
Сеть общего
пользования
Точка вхождения в сеть
Фиксированная сеть
общего пользования
Рисунок 2.31 – Структура системы "ICO"
Система "ICO" предоставляет пользователям возможность ведения телефонных переговоров с абонентами земного шара на сетях общего пользования и по принципу “каждый с каждым “, передачу факсимильных сообщений и данных со скоростями на первом поколении спутников – 2,4 Кбит/с за
относительно небольшую абонентскую плату –
1,5…2 долл. за минуту
занятия канала с любым абонентом мира, а так же пейджинговую связь,
включая пейджинг с глубоким проникновением (т.е. с большим запасом по
энергетике в канале). "ICO" разрабатывается прежде всего как служба персональной подвижной спутниковой связи, дающая возможность немедленной и
удобной связи в любой точке планеты. Кроме функции персонального средства связи абонентские станции разрабатываются для применения на судах,
самолетах , поездах и автомобилях ; для коллективного использования в небольших удаленных поселках (многоканальный вариант).
93
Космический сегмент "ICO". Космический сегмент системы ICO
обеспечивает глобальный охват поверхности Земли, включая полярные районы. За счет перекрытия зон охвата в пределах видимости каждой точки зоны обслуживания одновременно находится 2…4 спутника. Один спутник
может обслуживать приблизительно 25% поверхности Земли (см. рисунок
2.32).
Полное развертывание системы требует запуска 12 спутников (10 рабочих и 2 резервных), запущенных на круговую орбиту высотой 10 355 км над
поверхностью Земли. Стартовая масса спутника - 2750 кг, расчетный период
эксплуатации - 12 лет. Спутники размещаются в двух ортогональных плоскостях, по 6 КА в каждой. Угол наклона орбиты к плоскости экватора составляет 45°. Период обращения - 6 ч. Такая орбитальная группировка обеспечит глобальный охват поверхности Земли, в том числе полярных районов.
Рисунок 2.32 – Траектории перемещения ИСЗ
в системе "ICO"
Система "ICO" будет использовать для связи L- и C-диапазоны частот. В
качестве базовой технологии определен метод многостанционного доступа с
временным разделением каналов (TDMA). Для передачи информации для
абонентских станций по каналам Земля-спутник/спутник- Земля были выбраны следующие диапазоны: "вверх" – 1980…2010 МГц, "вниз" –
2170…2200 МГц.
Указанные полосы частот шириной по 30 МГц необходимы для формирования сетки из 1200 частот с шагом 25 кГц для создания дуплексных каналов связи с групповой скоростью 36 Кбит/с в полосе
18 кГц (т.е. по 6
Кбит/с на канал с временным уплотнением). В системе применены цифровые
методы передачи, временное разделение каналов, четырехпозиционная фазовая манипуляция с кодированием 1/2. Для связи с наземными станциями используются полосы частот:
94
Земля - Космос ( передача ) – 5150….5250 МГц;
Космос - Земля ( прием )
– 7975….7075 МГц.
Максимальное время пребывания одного спутника в зоне радиовидимости может достигать 1,5…2 ч., при этом средняя продолжительность обслуживания абонентов составит 50 мин.
В системе "ICO" задействованы главным образом уже известные и проверенные технические решения. Так, для изготовления спутников используется спутниковая платформа НS-601 корпорации "Hughes Sрасе and
Communications", применяемая для создания крупногабаритных геостационарных спутников.
Таблица 2.15 – Основные характеристики ретрансляционной аппаратуры
системы "ICO"
Радиолиния
Абонентская Фидерная
Рабочий диапазон
прием
1980...2010 5150...5250
частот, МГц
передача
2170...2200 6975...7025
Коэффициент усиления, дБ
передающей АФАР (min/max)
28/31,8
11
приемной АФАР
26,5
11
Добротность G/T (ТШ.СТАНЦИИ =500 К),
1,4...3,0
-16
дБ/К
ЭИИМ, отнесенная к цифровому потоку
33,6
1,8
36 Кбит/с с полосой частот 25 кГц, дБВт
Число цифровых потоков (max)
750
Число каналов в цифровом потоке
6
8
Общая мощность излучения, Вт
600
600
Тепловые потери в трактах, дБ
1
1,5
Канальная скорость передачи, Кбит/с
4
2,4
Чтобы исключить взаимовлияние трактов приема и передачи, на КА
применяются раздельные антенны для каждого диапазона частот. Антенна Lдиапазона имеет диаметр 2 м. Использование многолучевой диаграммообразующей схемы обеспечивает многократное назначение частот. Согласно проекту, в системе "ICO" для приема/передачи служат 163 раздельных луча (запас по энергетике составит 8…10 дБ); зона обслуживания одного КА – примерно 7 тыс. км (см. таблицу 2.15).
Спутники с установленными на них ретрансляторами С- и S-диапазонов
смогут одновременно поддерживать 4500 телефонных каналов. В системе
"ICO" не предусмотрена бортовая обработка сигнала в полном объеме. Однако управление назначением частот и маршрутизация сигнала осуществляются с помощью бортового процессора.
95
Наземный сегмент системы "ICO". Наземный сегмент включает в себя центр управления спутниковой группировкой SCC (Satellite Control
Centre), центр управления наземной сетью NMC (Network Management
Centre) и наземную сеть ICONET (ICO network). NMС предполагается разместить в Японии, а центр SCC - в Лондоне.
Спутниковые каналы подключаются к существующим сетям связи через
собственную сеть ICONET, в которую на первом этапе войдет 12 наземных
станций, так называемых спутниковых узлов доступа (SAN). Узлы должны
выполнять роль "шлюзов" между спутниками "IСО" и абонентами наземных
сетей общего пользования и обеспечивать первичный интерфейс, необходимый для маршрутизации трафика и предоставления данных о местонахождении абонентов. Параметры центральных станций представлены в таблице
2.16.
Таблица 2.16 -Технические характеристики центральной станции "IСО"
прием
6,9
Рабочий диапазон частот, ГГц
передача
5,2
Коэффициент усиления антенны, дБ
47,6
Шумовая температура станции, К
125
Добротность G/T, дБ/К
26,6
ЭИИМ, отнесенная к цифровому потоку
48,7
36 Кбит/с, дБВт
Полоса частот цифрового потока, кГц
25,0
Канальная скорость передачи, кбит/с
4
Магистральные каналы с высокой пропускной способностью связывают
узлы между собой. В настоящее время к разработке спутниковых узлов доступа и оборудования центра управления сетью приступили компании "NEC",
"Hughes Network Systems" и "Ericsson".
Связь между абонентами организуется только через узлы доступа, непосредственная связь абонентов не поддерживается. Радиотелефонный терминал "ICO" работает в двух режимах: через спутники системы "ICO" или через
наземные базовые станции сотовой связи. Для связи с подвижными объектами предусмотрено создание специальных терминалов. В качестве базового
будет использоваться портативный двухрежимный терминал, совмещенный
с сотовым телефоном стандарта GSM (или CDMA, D-AMPS, PDC). Компания "ICO" уже заключила соглашение на разработку 3 млн. портативных
терминалов с компаниями "Panasonic", "NEC" и "Mitsubishi".
Терминал системы "ICO" был разработан с прицелом на габариты и вес
небольших сотовых ручных телефонов , имевшихся на рынке в 1997 году .
Новые конструкторские идеи позволят еще более уменьшить вес и габариты ,
а также увеличить емкость встроенных аккумуляторных батарей в телефонах
96
2000-го года. При этом ЭИИМ таких станций будет составлять от 0 до 8
дБВт, в зависимости от функционального назначения станции (т.е. персональный телефон или многоканальная необслуживаемая станция; станция,
устанавливаемая на автомобиле, судне или самолете). Средняя мощность
передатчика не превысит 0,25 Вт.
Высокочастотные радиоизлучения будут находиться в пределах более
жестких требований к технике безопасности, имеющихся в настоящий момент в разных странах .
В составе услуг "ICO" – весь набор, обеспечиваемый сотовыми сетями
GSM, определение местоположения абонента, оповещение о вызове и т. п.
Пропускная способность системы – 1 млн. абонентов при средней продолжительности разговоров 60 мин. в месяц.
2.3.6. Спутниковая система связи "Гонец"
Известно, что в настоящее время в России несколько проектов низкоорбитальных систем передвижной связи включены в Федеральную программу
развития спутниковых сетей. Реально работающие фрагменты в настоящее
время имеет система "Гонец". Ее разработчиками являются НИИ точных
приборов и НПО прикладной механики (тестирование демонстрационной
версии системы проходило еще в 1992-1994 годах). В настоящее время в
рамках конверсионной программы существует новая версия этой системы
"Гонец-Д1" на базе 6 спутников, рассчитанная на обслуживание до 10 тыс.
абонентов и обеспечивающая скорость передачи данных до 2,4 Кбит/с. Система обеспечивает передачу коротких однопакетных сообщений объемом до
1 Кбит (телеграммы, данные от датчиков, координаты подвижных объектов и
др.), нескольких страниц текстовых сообщений, а также более длинных файлов, сегментированных на пакеты.
В конце 1999 г. появилась следующая версия системы, предусматривающая передачу данных со скоростью 9,6 Кбит/с при увеличении числа
абонентов до 20 тыс. Полномасштабная система "Гонец" будет базироваться
на 48 низкоорбитальных спутниках (8 аппаратов в шести плоскостях) и рассчитана на обслуживание более 1,5 млн. пользователей. Новые технологические решения позволят обеспечить передачу данных со скоростью до 9,6
Кбит/c в прямом и до 64 Кбит/с в обратном канале.
Система предусматривает различные схемы передачи информации по
сети, выбор которых зависит от уровня оперативности связи и взаимного
расположения абонентов:
− ретрансляция в зоне обслуживания одного спутника;
− перенос данных между абонентами через спутник (режим "почтового ящика");
− ретрансляция через наземную станцию;
97
– ретрансляция через магистральные каналы наземной или спутниковой связи.
а) связь в реальном времени (зона обслуживания 4000 км); б) электронная связь
по принципу электронной почты с запоминанием сообщений на борту; в) глобальная связь в реальном времени между абонентами, находящимися в разных зонах
обслуживания; г) организация связи между удаленными районами земного шара
Рисунок 2.33 – Варианты взаимосвязи абонентов в системе "Гонец"
Варианты взаимосвязи абонентов в системе "Гонец" иллюстрируются
на рисунке 2.33. Наиболее интересен режим "почтового ящика". В этом случае отправитель передает через ИСЗ, находящийся в зоне радиовидимости,
сообщение с номером зоны обслуживания и адресом получателя. Записанное
в память бортового оборудования сообщение передается получателю в тот
момент, когда спутник пролетает над указанным регионом. Время доставки
сообщения в пределах СНГ составляет не более 70 мин. Оперативность доставки можно существенно повысить, если организовать передачу информации между соседними аппаратами или использовать спутники других систем
связи.
Космический сегмент системы "Гонец" формируется с помощью ракеты-носителя "Циклон-3". Для запуска низкоорбитальных спутников "Гонец" используются ракеты-носители легкого класса, отличающиеся высокой
надежностью. Параметры низкоорбитального космического аппарата "Го-
98
нец" представлены в таблице 2.17 для двух основных вариантов ИСЗ. В таблице 2.18 приведены основные технические параметры космического сегмента системы. Внешний вид космического аппарата "Гонец" показан на
рисунке 2.34.
Таблица 2.17 – Технические параметры низкоорбитального КА "Гонец"
Год варианта разработки
Характеристика
1996 г.
2001 г.
Вес, кг
240
270
Количество
Земля-спутник
1
16
каналов на
Спутник-земля
1
2
аппарате
Объем бортового ЗУ, Мбайт
1,5
8
Срок активного существования, лет
1,5…2
5…7
Коррекция орбиты
нет
есть
Таблица 2.18 – Характеристики космического сегмента "Гонец"
Ввод
в эксплуатацию
Первый
запуск
Число
ИСЗ
Высота
орбиты,
км
Наклонение
орбиты
Поэтапно к
2005 г.
Число
орбитальных
плоскостей
1996 г.
48
6
1400
82,5°
Наземный сегмент системы "Гонец" Центры управления системой,
входящие в структуру системы "Гонец", не только обеспечивают обычные
функции, но и организуют работу каналов связи, устанавливают приоритеты
доступа, контролируют бортовые системы, а также вычисляют области зон обслуживания. Частью архитектуры сети
"Гонец" являются региональные наземные станции, каждая из которых одновременно может использовать три спутника. В функции станции входит организация связи в регионе, в том числе коммутация и маршрутизация потоков данных и подключение абонентов к сетям
общего пользования, ведомственным радиосетям и линиям связи.
Абонентские терминалы (стационарные, переносные, мобильные, автономные, речевые и приемные) обеспечивают связь без подстройки и поиска. РазРисунок 2.34 –
КА "Гонец"
99
личные модификации терминала комплектуются устройствами, учитывающими конкретные условия и требования эксплуатации. Например, стационарный терминал предназначен для подключения к ПК или сети "Ethernet",
автономный - устанавливается на нефте- и газопроводах и позволяет программировать режимы работы и сбор/передачу данных от аппаратуры датчиков, а приемный представляет собой обычный спутниковый пейджер. На
рисунке 2.35 показан внешний
вид необслуживаемого терминала для сбора данных.
При необходимости терминал комплектуется навигационным устройством, позволяющим по сигналам GPS и
"Глонасс" определить местоположение объекта с точностью до 100 м.
В системе "Гонец" предусмотрены три уров-ня защиты информации от несанкРисунок 2.35 – Внешний вид
ционированного доступа: иснеобслуживаемого терминала
пользование
специальных
для сбора данных
протоколов обмена, авторизация доступа и программноаппаратное шифрование данных.
2.3.7 Спутниковая система связи "Teledesic"
Развитие новых телекоммуникационных технологий и почти повсеместное обеспечение высокоскоростного доступа в Internet, а также широкое
распространение корпоративных сетей на базе IP-протоколов вызвало резкий
спрос на услуги высокоскоростной широкополосной передачи данных, в том
числе с использованием спутниковой связи. Сегодня потребителей завлекают возможностями интерактивного телевидения, заказными телепрограммами и спутниковым вещанием на домашние компьютеры, оснащенные аппаратурой индивидуального приема.
Учитывая широкий спектр услуг, предоставляемых сетью "Telede-sic
Network" и заявленную скорость передачи данных, многие аналитики заслуженно называют её – "Internet-in-the-Sky" (Internet с небес).
В марте 1994 года Грэг Маккоу ("McCaw Cellular") и Билл Гейтс
("Microsoft") объявили об организации компании "Teledesic", назвав в числе
ее главных задач разработку и создание к 2002 году глобальной телекоммуникационной сети на базе системы низкоорбитальных спутников. Проект
100
поражает не только своей масштабностью: система, стоимость которой оценивается в 9 млрд. долл., должна была включать до 924 рабочих и резервных
спутников. Разработчики планируют обеспечить скорость передачи данных в
2 Мбит/с…1 Гбит/с, что эквивалентно характеристикам ВОЛС. Качество
обслуживания в системе "Teledesic" также сравнимо с современными линиями ВОЛС. Надежность связи в средних широтах составит 99,9 при вероятности ошибки на бит 10 –9. Кроме того, применение широкополосных каналов в
режиме предоставления полосы частот по запросу (bandwidth on demand)
сулило абонентам исключительные возможности оперативной передачи
больших объемов информации (в том числе мультимедиа и видеоданных).
Главная идея, заложенная в проекте "Teledesic", – это модернизация и
использование существующей телекоммуникационной инфраструктуры. При
этом применяемые для доступа в спутниковую сеть технологии должны быть
совместимы с действующими стандартами наземных сетей. Согласно проекту сверхбольшая спутниковая система связи с распределенной архитектурой
и динамической маршрутизацией будет обеспечивать доступ к наземным
терминалам "Teledesic", связанным с наземными сетями связи. Протоколы и
стандарты, которые должны использоваться в спутниковых каналах, пока
окончательно не утверждены, однако предполагаемые спецификации должны обеспечивать характеристики, близкие к параметрам волоконнооптических линий связи (малое время ожидания, высокие скорости передачи
данных). По оценкам разработчиков, с учетом реального неравномерного
распределения абонентов по поверхности Земли максимальная емкость системы будет соответствовать обслуживанию 20 млн. абонентов при стандартном уровне загрузки в обычных линиях проводной связи, а охват составит
более 95% поверхности земного шара.
Космический сегмент "Teledesi"c. Сегодня разработчики внесли некоторые изменения в структуру космического сегмента "Teledesic". Высота
орбиты составляет 1350 км, количество спутников уменьшилось до 288 (по
24 на 12 орбитах). Проектный срок эксплуатации спутника остался прежним:
10 лет. Сеть планируется развернуть в 2003 году, после того как корпорация
"Boeing" выведет на орбиту все рабочие спутники.
Архитектура системы предусматривает специальные межспутниковые
линии связи для передачи информации между соседними аппаратами (см.
рисунок 2.36). В "Teledesic" каждый спутник является узлом сети с быстрой
коммутацией пакетов и связан с 8 соседними межспутниковыми каналами,
каждый из которых имеет пропускную способность 155 Мбит/с. Таким образом, в космосе создается 8-связная "геодезическая" ячеистая сеть с суммарной пропускной способностью около 1,2 Гбит/c. Оптимальная маршрутизация информационных пакетов в спутниковой сети обеспечивается межспут-
101
никовыми линиями связи, работающими в полосах частот диапазона
59,5…63,5 ГГц со скоростями синхронной цифровой иерархии (SDH).
Рисунок 2.36 – Структура сети связи "Teledesic"
Поскольку положение каждого спутника на одной и той же орбите относительно других неизменно, а количество взаимосвязанных узловспутников велико, конфигурация сети достаточно устойчива к отказам, способна автоматически адаптироваться при возможных нарушениях или сбоях
в отдельных узлах. Кроме того, ячейки сети спроектированы со значительным перекрытием, а на каждой из орбит предусмотрено 4 резервных ИСЗ.
Топологию такой низкоорбитальной спутниковой сети можно изменять динамически.
Спутник "Teledesic" внешне похож на цветок с восемью лепестками и
большой, закрепленной на мачте, панелью солнечных элементов. Каждый
лепесток состоит из 3 антенн ФАР со встроенными управляющим и приемопередающим устройствами. В транспортном положении спутник будет представлять цилиндр диаметром 4,2 м и высотой 1,3 м.
Вес спутника "Teledesic" составляет 795 кг. На нем будет установлена
двенадцатиметровая панель с солнечными элементами и выходной мощностью 11595 Вт. Его стареющие или расходуемые компоненты, от которых в
наибольшей степени зависит продолжительность работы КА (солнечные панели, батареи, топливо), подобраны таким образом, чтобы превысить 10летний рабочий ресурс.
102
Наземный сегмент системы "Teledesic". Земной сегмент сети
"Teledesic Network" будет состоять из станций управления сетью, станций
сопряжения, а также двух типов терминалов: стандартных (скорость передачи 16…2048 Кбит/с) и высокоскоростных (GigaLink), обеспечивающих скорость 1,2 Гбит/с. В соответствии с проектом в качестве базовой технологии
связи пока планируется использовать АТМ и коммутацию пакетов, аналогичную реализованной в каналах сетей B-ISDN. В функции высокоскоростного терминала-шлюза входит трансляция внутренних протоколов сети
"Teledesic" в стандартные протоколы наземных сетей.
Все земные станции системы, а также терминалы (включая абонентские) будут использовать для передачи сигнала Ка-диапазон частот: по линии спутник - Земля 18,8…19,3 ГГц, по линии Земля - спутник - 28,6…29,1
ГГц. Мощность излучения передатчика составит
0,01…4,7 Вт (диаметр
параболической антенны от 16 см до 1,8 м). В пределах своей зоны обслуживания каждый спутник сможет передавать информацию, эквивалентную потоку 100 тыс. каналов с пропускной способностью 16 Кбит/с каждый. В проекте рассматривается возможность использования различных типов терминалов, в том числе и для транспортных средств, применяемых на суше, на
море и в воздухе.
В сети предусматривается три уровня администрирования: высший
(уровень станций сопряжения), средний (уровень спутниковой коммутации
каналов) и низший (уровень идентификации абонента). На станции сопряжения контролируется прохождение вызовов и внутрисетевая передача данных,
осуществляются функции сортировки, коммутации и маршрутизации служебной и пользовательской информации. Спутник должен выполнять роль
интеллектуального коммутатора каналов, контролировать их состояние,
управлять в пределах зоны обслуживания коммутацией и перекоммутацией
на терминалы и другие спутники, а также отслеживать степень достоверности данных и координировать мощность наземного передатчика. На низшем
уровне происходит не только идентификация абонента, но и регистрация его
местоположения и учетных характеристик. Для хранения всей информации о
терминалах и абонентах, режимах обслуживания, кодовых ключах, маршрутах, а также других административных данных предусмотрено создание распределенной наземной базы данных сети "Teledesic Network".
103
Рисунок 2.37 – Принцип многостанционного доступа
в системе "Teledesic"
Для обеспечения эффективного использования выделенного спектра
частот в системе "Teledesic" будет использоваться комбинация методов многостанционного доступа с пространственным (МДПР), частотным (МДЧР) и
временным (МДВР) разделением каналов. Каждому сотовому элементу в
пределах суперэлемента будет выделяться один из 9 временных интервалов.
Данные передаются во всей полосе частот в течение выделенного временного интервала. Передающий и приемный лучи антенны спутника будут периодически сканировать все 9 сотовых элементов. В результате в пределах
одного суперэлемента обеспечивается временное разделение каналов. Принципы используемых методов многостанционного доступа показаны на рисунке 2.37.
104
Сочетание жесткой фиксации сотовой структуры относительно поверхности Земли и различных методов многостанционного доступа дает возможность с большой эффективностью использовать выделенный спектр частот.
Система "Teledesic" будет повторно использовать свой выделенный спектр
свыше 350 раз на континентальной части США и 20000 раз - на поверхности
Земли. При этом в пределах выделенного временного интервала передачи в
направлении "вверх" (Земля-спутник) предполагается использовать спецификацию Multy-Frequency Time Devision Multiple Access (MF-TDMA), а в
обратном направлении (спутник-Земля) – протокол Asinchronous Time Devision Multiple Access (ATDMA). Расчетная задержка сигнала - не более 100
мс.
Начало эксплуатации системы намечено на 2003 год.
2.3.8. Спутниковая система связи "SkyBridge"
Работы по созданию европейской системы широкополосной спутниковой связи, сегодня известной под именем "SkyBridge" (прежнее название
"Sativod"), проводятся с 1993 г. Однако только в 1996 г. компанией "Alcatel
Espace" был разработан системный проект и определен облик системы в целом. В 1997 г. в США была образована компания "SkyBridge" и выбран основной поставщик спутниковых систем и телекоммуникационных структур –
"Alcatel". В разработке и финансировании проекта "SkyBridge" участвует
международный альянс промышленных компаний, в число которых входят:
"Loral Space & Communications" (США), "SPAR Aerospace" и "COM DEV
International" (Канада), "Mitsubishi", "Sharp", "Toshiba" (Япония),
"Aerospatiale", "CNES" (Франция) и "SRIW" (Бельгия).
"SkyBridge" – это глобальная система персональной спутниковой связи,
обеспечивающая широкополосный доступ по асимметричному спутниковому каналу. Ее спутниковый сегмент строится на низких круговых орбитах,
что позволяет использовать для связи небольшие антенны и гарантирует малые задержки при распространении сигналов. Последнее обстоятельство
особенно важно, так как делает систему совместимой с наземными сетями
связи, где интерактивные услуги предоставляются в реальном времени.
Для передачи информации в "SkyBridge" используется Ku-диапазон
частот (от 10 до 18 ГГц), что позволяет применять в системе хорошо зарекомендовавшие себя технологии, которые компания "Alcatel Espace" уже испытала в реализованных проектах систем на геостационарных спутниках. Для
эффективной работы системы требуется участок спектра шириной как минимум 1,05 ГГц (в каждом направлении связи).
Трафик абонентских терминалов через спутниковый ретранслятор передается в прозрачном режиме, т.е. без бортовой обработки. Применение на
спутниках "SkyBridge" именно этого типа ретрансляторов и отказ от меж-
105
спутниковых линий связи и бортовых коммутаторов, по мнению разработчиков, позволяет не только минимизировать затраты на создание КА, но и
обеспечивает возможность гибко адаптироваться к постоянно меняющимся
требованиям рынка. Кроме того, такое решение дает возможность без особых сложностей подключаться к наземным сетям радиотелефонной связи.
Система широкополосной связи "SkyBridge" имеет распределенную
структуру (см. рисунок 2.38) и построена в виде двух выделенных сетей связи: высоко- и низкоскоростной. По каналам высокоскоростной сети пользователю предоставляются услуги, в то время как низкоскоростные каналы
используются для передачи запросов. Объединение высоко- и низкоскоростных сетей происходит на станции сопряжения.
Рисунок 2.38- Структурная схема системы "SkyBridge"
Для передачи информации используются два асимметричных широкополосных канала:
− высокоскоростной со скоростью до 100 Мбит/с
(кратность n × 20 Мбит/с);
− низкоскоростной со скоростью до 10 Мбит/с
(кратность n × 2 Мбит/с).
Система строится без использования межспутниковых линий связи и
бортового коммутатора, обработка всех потоков информации и их маршрутизация производятся на Земле. Одна из наиболее сложных проблем, которую потребовалось решить для того, чтобы использовать систему
"SkyBridge", не создавая помех другим ССС, – обеспечение электромагнитной совместимости с геостационарными КА, работающими в Ku-диапазоне
106
частот. Решение этой проблемы достигается за счет ряда технических и организационных мер.
Организационные меры включают следующее: жесткую регламентацию
и взаимосвязь работы станций сопряжения и спутников в каждом географическом регионе; контроль параметров низкоорбитальных спутников не реже
одного раза в сутки; запрет работы абонентских терминалов до тех пор, пока
они не примут сигнал со спутника.
Технические вопросы решаются также непросто. Известно, что точки
стояния всех геостационарных спутников расположены по дуге. Чтобы исключить влияние наземных средств "SkyBridge" на работу геостационарных
КА, для наземных станций "SkyBridge" будет введена защитная зона вокруг
каждого геостационарного спутника. Всякий раз, когда луч антенны наземной станции окажется в непосредственной близости от геостационарной дуги
(в защитной зоне), станция немедленно отключится от данного спутника и
"перейдет" на другой, находящийся в зоне радиовидимости. Такое переключение будет осуществляться через станцию сопряжения и будет полностью
прозрачным для пользователя.
При типовых условиях приема геостационарной наземной станции (отношение сигнал-шум равно 10 дБ) координационное расстояние между наземными станциями геостационарных и негеостационарных ССС составляет
7,2 км. Дальнейшее сокращение координационного расстояния до 1 км возможно лишь за счет использования дополнительных методов защиты.
В соответствии с существующими международными нормами, уровень
плотности потока мощности (ППМ) на поверхности Земли жестко ограничен. Поскольку работу системы "SkyBridge" планируется организовать в Kuдиапазоне частот, в котором уже работают геостационарные системы, то к
ней предъявляются повышенные требования по электромагнитной совместимости.
Методы повторного использования спектра в системе "SkyBridge" основаны на ограничениях допустимого и суммарного уровней плотности потока
мощности, создаваемого излучением терминалов на геостационарной дуге,
регламентируемых статьей S22.2 WRC-97 (см. таблицу 2.19).
107
Таблица 2.19 – Ограничения по использованию диапазонов частот низкоорбитальными системами связи в разных регионах
Тип линии
Линия
"вверх"
Линия
"вниз"
Регион 1
Регион 2
Европа,
Северная и
Африка,
Южная
Россия и
Америка
страны СНГ
12,75…13,25 Разрешенные Разрешенные
Разрешенные
13,75…14,5
Нет разреш.
Нет разреш.
Нет разреш.
17,3…17,8
Новые
Нет разреш.
Новые
Диапазон
частот, ГГц
Регион 3
АзиатскоТихоокеанский регион
10,7…10,95
Разрешенные Разрешенные
Разрешенные
11,2…11,45
Разрешенные Разрешенные
Разрешенные
11,7…12,2
Новые
Разрешенные
Новые
12,2…12,5
Новые
Новые
Разрешенные
12,5…12,7
Разрешенные
Новые
Разрешенные
Для оценки влияния временных ограничений мощности, введенных
WRC-97, были проведены экспериментальные исследования с использованием телевизионных спутников "Astra" и "Hispasat", которые не обнаружили
никакого ощутимого влияния на восприятие сигнала зрителями DBSсистемы (Direct Broadcast Satellite) в случае работы наземной станции
"SkyBridge" (ее воздействие было смоделировано при мощностях ниже ограничений WRC-97).
Космический сегмент "SkyBridge". Орбитальная группировка
"SkyBridge" состоит из 80 спутников. Ее развертывание предлагается проводить в два этапа, на каждом из которых на орбиту будет выведено по 40 КА.
Достаточно низкая высота орбиты (1469 км) гарантирует малое время распространения сигнала (не более 20 мс). Спутники будут размещены в 20 орбитальных плоскостях по 4 КА в каждой. Наклонение орбиты составляет 53°,
период обращения КА – 115 мин. Плоскости орбит равномерно распределены в пространстве через 45°, причем в каждой из них спутники отстоят друг
от друга на 90°. Обе группировки из 40 КА предполагается строить одинаковыми, но со смещением положений: угла восхождения каждого КА на –10°,
средней аномалии – на +14°.
Резервирование будет осуществляться за счет четырех резервных спутников "SkyBridge", выведенных на четыре промежуточные орбиты высотой
108
около 940 км, запуск которых предполагается осуществить лишь после развертывания и ввода в эксплуатацию основной группировки системы.
Предложенная ОГ, по утверждению авторов проекта, малочувствительна к деградации орбиты спутника. Включение корректирующих двигателей
потребуется не чаще одного раза в два месяца. При этом максимальное изменение скорости движения спутника за весь срок его активного существования не превысит, по их оценкам, нескольких метров в секунду. Управление
маневрированием КА будет осуществляться по командам с Земли.
Стартовая масса космического аппарата "SkyBridge" – 800 кг (масса полезной нагрузки – 300 кг), максимальная мощность солнечных батарей –
3000 Вт (1600 Вт в номинальном режиме). Точность поддержания КА на орбите – не менее 0,5°.
Активная бортовая антенная система спутника будет обеспечивать
формирование 45 лучей. Усиление и форма лучей подобраны таким образом,
чтобы у поверхности Земли сформировалась многосотовая зона покрытия.
Расчетный срок эксплуатации спутника составляет восемь лет, ожидаемая
надежность – 0,85, в том числе подсистем управления и полезной нагрузки –
0,92.
В качестве средств вывода на орбиту предполагается использовать ракеты-носители серии "Ariane", либо "Ariane 4" (6 КА за запуск), либо "Ariane
5" (12 КА за запуск). Восполнение орбитальной группировки планируется
осуществлять с помощью более легких носителей, обеспечивающих выведение на орбиту за один запуск двух спутников.
Один КА должен обеспечить зону обслуживания размером около 6000
км при рабочих углах места терминала не более 10°, при этом диаметр зоны
парциального луча составит 700 км. Ретрансляционный комплекс будет оснащен следящей антенной с перенацеливаемой во время движения КА диаграммой направленности. Все абоненты, расположенные в одной парциальной зоне, должны обслуживаться одной станцией сопряжения. При выходе
спутника из зоны радиовидимости станция сопряжения автоматически переключается на другой КА.
Каждый спутник образует квазинеподвижную зону поверхности Земли,
что сокращает необходимое для непрерывного обслуживания этой зоны количество переключений абонентских каналов (по сравнению со схемой организации покрытия, при которой луч просто скользит по поверхности Земли).
Для глобального покрытия всей поверхности суши достаточно 426 узких
фиксированных лучей. Полномасштабная орбитальная группировка
"SkyBridge" (80 КА) обеспечит глобальное обслуживание на широтах от 68°
ю.ш. до 68° с.ш., где в зоне радиовидимости станций сопряжения будет находиться по крайней мере один спутник. Что же касается средних широт, то
109
в них в зоне радиовидимости будут одновременно присутствовать два-три
спутника (без учета КА, угол видимости которых менее 10°).
Наземный сегмент системы "SkyBridge". Для обеспечения глобального обслуживания в сети "SkyBridge" запланировано строительство около
400 (200 - на первом этапе) станций сопряжения. Каждая из них должна контролировать и обрабатывать весь трафик в зоне обслуживания радиусом около 350 км. Максимальная пропускная способность станции - 2,5 Гбит/с. При
таком трафике станция способна обслужить в своей зоне от 10 до 400 тыс.
абонентов.
Станции сопряжения будут размещаться в районах Земли с достаточно
высокой плотностью населения, где существует развитая наземная инфраструктура. Их сопряжение с существующими наземными сетями обеспечивается через коммутатор ATM. Станция будет поддерживать большинство из
современных протоколов широкополосной связи (IP, Frame Relay, N-ISDN,
B-ISDN, X.25) и интерфейсов (PDN, SDN, ATV, FDDI, DQDB). Разработчики
предполагают также использовать каналы "SkyBridge" для объединения удаленных между собой базовых станций в сетях сотовой связи.
В системе "SkyBridge" предусмотрено применение двух типов абонентских
терминалов: профессиональных (для высокоскоростной передачи данных и
удаленного доступа к локальным сетям) и потребительских (домашних). Оба
типа ориентированы на работу в интерактивном режиме, при котором скорость в линии "вверх" на порядок ниже, чем в линии "вниз". Основное различие между терминалами - в их назначении и размерах используемых малогабаритных антенн. Диаметр антенны профессионального терминала в два
раза больше потребительского (см. таблицу 2.20).
Базовый абонентский терминал конструктивно выполнен в виде двух
блоков: наружного (outdoor unit) и комнатного (indoor unit). В состав наружного входят антенна, модуль приемника сигналов, радиомодем и устройство
управления. Комнатный (связной) блок обеспечивает интерфейс с различной
аппаратурой пользователей: персональным компьютером, телевизионной
приставкой (TV set-top box), телефоном типа Webphone и др. Основной рынок широкополосных услуг сети "SkyBridge" - это услуги высококачественной речевой связи и видеотелефонии, передача данных мультимедиа и интерактивная связь с возможностью приема видеоизображений. Терминалы
обеспечат высокоскоростной доступ удаленных пользователей в сеть
Internet, к базам данных и видеоконференц- связь.
110
Таблица 2.20 – Характеристики абонентских терминалов "SkyBridge"
Тип терминала
Предоставляемые
услуги
Профессиональный
терминал
Доступ в ЛВС,
коллективный доступ
Скорость передачи 16 кбит/с…10 Мбит/с
информации
Потребительский
терминал
Доступ в Internet,
теледоступ
16 кбит/с…2 Мбит/с
Скорость приема 16 кбит/с…100 Мбит/с 16 кбит/с…20 Мбит/с
информации
Диаметр антенны
80 см
Стоимость терми- 2000 долл.
налов
40 см
700 долл.
2.4. Сравнительная характеристика глобальных систем
никовой связи
спут-
В начале XXI века коммерческая спутниковая связь все активнее проникает в нашу жизнь. И хотя почти все ныне действующие системы основаны на применении геостационарных и высокоэллиптических спутников, аналитики прогнозируют скорое изменение ситуации. По их предположениям,
даже в странах с развитой инфраструктурой около 35% потребностей в услугах будут удовлетворяться за счет глобальных систем персональной связи с
низко- и средневысотными спутниками. Предоставляя пользователям практически одинаковый набор телекоммуникационных услуг (речь, данные,
пейджинг, короткие сообщения, определение местоположения), конкурирующие системы сильно различаются по своим характеристикам и наземным
структурам. Так, для обеспечения глобальной связи в системах
"Odyssey"/"ICO" требуются всего 7…12 узловых станций, а для обслуживания пользователей "Globalstar" – в 20 раз больше.
Структура наземного сегмента сети "Iridium", благодаря использованию
межспутниковых линий связи, представляется более простой, чем в
"Globalstar". Но более важными для специалистов и потребителей являются
технико-экономические параметры (см. таблицу 2.21).
Интересны результаты сравнения систем, построенных на основе геостационарных и негеостационарных ИСЗ. В настоящее время наиболее широко известны две системы глобальной мобильной спутниковой связи свободного доступа – "Inmarsat" и "Iridium". Система "Inmarsat" работает уже
около 20 лет, "Iridium" проработала всего несколько лет.
111
Таблица 2.21 – Сравнительная характеристика глобальных систем спутниковой связи
Название системы
Odyssey
Iridium
Globalstar
Тип орбиты
Число спутников
Высота орбиты, км
Наклонение орбиты, град.
Масса спутников, кг
Потребл. мощность, Вт
Число лучей
Срок экспл. спутников, лет
Метод многостанционного
доступа
Число узловых станций
Число каналов, эквивалентных 4,8 Кбит/с
Стоимость проекта,
млрд. долл.
Стоимость двухрежимного
терминала, долл.
Тариф, долл./мин
Начало функционирования
системы
MEO
MEO
LEO
12
12
66
10 354 10 355
780
50
45
86
2500
2750
690
4600
8700
1000
61
163
48
15
12
5
CDMA TDMA TDMA
LEO
48
1400
52
450
1200
16
7,5
CDMA,
FDMA
150…210
1300
ICO
7
3000
12
4500
2,5
2,8
25
не менее 600
свыше
3,5
2,0
350
750
3000
750
0,75
2
3
0,35…3
2000 г. 2000 г. 1997 г. Iкв.2000 г.
Межгосударственная система "Inmarsat", созданная для обеспечения
связью морских судов, а впоследствии и сухопутных объектов, имеет широкий спектр стандартов и модификаций абонентских станций, от судовых до
персональных, весящих около 2 кг, обеспечивающих все виды связи. В силу
своей уникальности на протяжении почти 20 лет организация "Inmarsat"
практически не занималась своей рекламой, полагая, что потенциальные
пользователи смогут обратиться только к ней. В настоящее время в системе
работают более 140 тыс. терминалов.
Однако в последние годы стали проектироваться сразу несколько спутниковых систем мобильной связи. Первой из них была введена в эксплуатацию система "Iridium". Организация "Inmarsat" в связи с изменившейся обстановкой на рынке услуг спутниковой связи преобразовалась в акционерное
общество и стала коммерческой фирмой. Кроме того, для возможности предоставления услуг, аналогичных заявленным новыми спутниковыми системами, организация "Inmarsat" участвует в создании системы персональной
спутниковой связи "ICO", позволяющей владельцам абонентских станций
пользоваться услугами сотовых сетей связи.
112
При составлении прогноза числа потенциальных пользователей системы "Iridium" в России в первый год эксплуатации системы планировалась
продажа нескольких тысяч станций. Однако, в реальности их было продано
на порядок меньше, а всего в мире в настоящее время продано около 8 тысяч, вместо планировавшихся миллиона станций. В сравнительной таблице
2.22 приведены параметры обеих систем и характеристики абонентских
станций, которые отличают эти системы с точки зрения пользователя.
Таблица 2.22 – Сравнительные характеристики систем глобальной связи
№
Параметр
"Inmarsat"
"Iridium"
1 Работа в сотовых сетях
нет
да
глобальглобальная,
2 Зона охвата
за исключен.
ная
полярных
районов
3 Режим телекса
да
нет
4 Скорость передачи данных, Кбит/с
2,4…64,0
2,4
5 Минимальный вес абонентских
2,2
0,5
станций, кг
6 Облучение пользователя станции
нет
да
7 Наличие встроенного навигационнода
нет
го спутникового приемника GРS
8 Оборудование ГМССБ
да
нет
9 Система связи и управления мобильда
нет
ными объектами, оснащенными
спутниковыми станциями
10 Минимальный угол возвышения
2
8
спутника, град
11 Стоимость персональной станции с
7,8
8,7
учетом подключения к системе и
предоплаты трафика, тыс. долл.
12 Зависимость тарифа от расстояния до
нет
да
конечного абонента
13 Абонентная плата, долл./месяц
40,00
132,00
14 Тариф для персональной станции,
3,0
2,5…7,2
долл./мин
Следует отметить, что в настоящее время разрабатывается идея создания системы на основе эллиптических и геостационарных спутников, которая охватывала бы Северный полюс и работала бы по протоколам "Inmarsat",
обеспечивая морские и воздушные суда надежной связью (через Северный
полюс проходит самая выгодная трасса для самолетов). Проект системы на-
113
званный "Марафон", основан на двух спутниковых группировках: геостационарной и эллиптической.
Вопросы и задания для самоконтроля
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Представьте сравнительную характеристику систем многостанционного
доступа с временным и частотным разделением каналов.
Поясните особенности применения многостанционного доступа с разделением сигналов по форме.
Охарактеризуйте назначение и основные технические характеристики
системы "Eutelsat".
Перечислите поколения спутников, используемых в космическом сегменте "Inmarsat".
Определите координаты наведения антенны терминальной станции размещаемой в районе г. Севастополя. Расчет произвести для двух возможных вариантов ближайших ИСЗ системы "Inmarsat".
Приведите сравнительную характеристику систем связи "Интеспутник"
и "Thuraya-1".
Охарактеризуйте преимущества средневысотных орбит по сравнению с
низкими орбитами.
Осуществите сравнительную характеристику систем "Globalstar" и
"Iridium".
Объясните порядок установки связи мобильного терминала "Globalstar",
расположенного в районе г. Севастополя с абонентом в Канаде.
Определите плотность потока мощности, создаваемого ИСЗ "Iridium"
вблизи земной поверхности.
Приведите характеристику методов многостанционного доступа, используемые в системе "Teledesic".
В чем заключаются основные отличия космического сегмента
“Teledesic” от космических сегментов систем "SkyBrige" и “ICO”?
Оцените требуемую чувствительность приемного устройства, расположенного на борту ИСЗ "Globalstar", если наземный терминал работает
через штатную ненаправленную антенну в режиме минимальной мощности, а связь устанавливается с ИСЗ, находящимся непосредственно над
терминалом.
Опишите работу бортового трансляционного оборудования ИСЗ "LMI-1"
системы "Интеспутник".