3. Спутниковая связь

На сегодняшний день наша страна еще не обладает достаточным количеством наземных телекоммуникационных сетей. Их развитие за пределы индустриальных зон займет, по прогнозам специалистов, несколько десятилетий. Более того, во многих регионах строительство наземных сетей не является экономически оправданным.

Услуги спутниковой связи очень часто оказываются единственной возможностью для интеграции удаленных регионов в единое экономическое пространство страны и мировые телекоммуникационные сети.

Использование небольших спутниковых терминалов с антеннами от 1,2 м до 2,4 м и передатчиков с малой мощностью позволяет быстро и недорого установить станцию непосредственно на крыше, на балконе, на стене или во дворе офиса, что исключает проблему "последней мили", когда требуется арендовать канал связи у местных операторов наземной связи.

C помощью спутниковых каналов можно достаточно быстро сформировать сетевую инфраструктуру, охватывающую большую территорию и не зависящую от наличия или состояния наземных каналов связи. Использование современных технологий доступа к ресурсу спутниковых ретрансляторов и возможность одновременной доставки информации практически неограниченному числу потребителей значительно снижают затраты на эксплуатацию сети.

Эти возможности спутниковой связи делают ее высокоэффективной даже в регионах с хорошо развитыми наземными телекоммуникациями. Более того, в настоящее время многие компании с территориально-распределенной структурой крайне озабочены снижением затрат на оплату услуг связи и все чаще отказываются от услуг сетей общего пользования, предпочитая создавать собственные, более экономичные корпоративные сети связи.

Для компаний, в которых обеспечение высокого уровня надежности передачи данных играют важную роль, каналы спутниковой связи являются оптимальным вариантом для резервирования существующих наземных сетей.

Оборудование для VSAT сетей может быть установлено в любое время и с минимальными затратами. Спутниковые решения отличаются высокой гибкостью технических параметров, что позволяет сети расти вместе с вашим бизнесом.

Системы спутниковой связи нашли широкое применение во всем мире. Они состоят из двух основных сегментов –космического и земного.

Под космическим сегментом обычно понимаются спутники-ретрансляторы, а также средства выведения их на орбиту и наземные комплексы управления. Спутники-ретрансляторы являются важнейшей частью космического сегмента. Они состоят из двух основных узлов: космической платформы и бортового ретранслятора.

Бортовой ретранслятор принимает сигналы земных станций, усиливает их и передает на землю. С помощью бортовых антенн, передаваемый спутником сигнал фокусируется в один или несколько лучей, чем обеспечивается формирование необходимой зоны обслуживания.

Рисунок 2 - Схема узлов спутника

Рисунок 3 - Упрощенная схема бортового ретранслятора (3 ствола).

Основными характеристиками спутников связи являются количество радиочастотных каналов (ретрансляторов) или стволов, мощность передатчиков в каждом стволе (обычно представляемая как эквивалентная изотропно излучаемая мощность или ЭИИМ), количество и размеры зон обслуживания. Для уменьшения взаимных помех передача сигнала со спутника (Downlink) ведется на частоте, отличной от частоты передачи сигнала с земли на спутник (Uplink). Поэтому ретрансляторы спутника имеют в своем составе преобразователи частоты. Обычно частота Downlink ниже, чем линии Uplink.

Для систем спутниковой связи выделены определенные диапазоны частот, каждый из которых имеет свои особенности. Количество, размеры и формы зон обслуживания определяются конструкцией антенн.

Космическая платформа предназначена для поддержания работы спутника связи. Основными функциями космической платформы являются обеспечение бортового ретранслятора электропитанием и удержание спутника на заданной орбите. Электропитание бортовой аппаратуры осуществляется обычно от солнечных батарей и резервных аккумуляторов.

Под влиянием гравитационных сил спутник отклоняется от заданной орбиты, из-за чего необходимо периодически проводить ее коррекцию, используя специальные реактивные двигатели, установленные на спутнике. Поэтому значительную долю веса геостационарных спутников составляет вес двигательной установки и горючего для корректирующих двигателей. Запас горючего для коррекции орбиты, наряду с надежностью и долговечностью бортовой аппаратуры, определяет срок активного существования спутников связи.

Оперативное управление бортовыми системами и их контроль осуществляется бортовой вычислительной машиной. Кроме того, вся телеметрическая информация о состоянии систем спутника передается на Землю.

Наземный комплекс управления (НКУ) по результатам телеметрического контроля и измерения параметров орбиты спутника передает на него команды по коррекции орбиты и управлению бортовой аппаратурой.

Земной сегмент представляет собой сеть абонентских станций спутниковой связи, устанавливаемых у пользователей, а также центр управления сетью (при необходимости его использования). Абонентские станции могут быть как стационарными, так и подвижными. До 90% стоимости большинства систем спутниковой связи обычно приходится на земной сегмент.

Типовая земная станция (ЗС) системы фиксированной спутниковой связи (ФСС) состоит из следующих основных узлов:

- станция космической связи (СКС);

- каналообразующая аппаратура (КОА);

- оконечное оборудование;

- аппаратура соединительных линий.

Рисунок 4 - Структурная схема земной станции.

Станция космической связи обеспечивает прием и передачу информации по спутниковому каналу. Она включает в себя антенную систему, приемо-передающее оборудование и преобразователи частоты. Размеры антенны и мощность передатчика определяются ЭИИМ спутника и качеством его приемных антенн, а также частотной полосой передаваемого сигнала.

Каналообразующая аппаратура формирует и обрабатывает модулирующий сигнал, обеспечивает процедуру многостанционного доступа (мультиплексирование/демультиплексирование сигналов), кодирование и декодирование сигналов, их модуляцию-демодуляцию. Связь каналообразующей аппаратуры с СКС осуществляется на промежуточной частоте, обычно 70 Мгц, иногда –140 Мгц.

Состав оконечного оборудования зависит от назначения земной станции и вида передаваемой информации. Для сетей передачи данных это могут быть сборщики/разборщики пакетов, пакетные коммутаторы и др. В системах телефонной связи сюда входят модемы, кодеры и декодеры, коммутаторы и АТС.

Аппаратура соединительных линий предназначена для сопряжения земных станций с наземными линиями связи и аппаратурой пользователей.

В космическом сегменте используются спутники-ретрансляторы, находящиеся на различных околоземных орбитах в зависимости от назначения системы:

- геостационарная орбита (радиус около 40 000 км);

- высокоэллиптическая орбита (апогей около 40 000 км, перигей около 2 000 км);

- средняя орбита (радиус от 5 000 до 20 000 км);

- низкая орбита (радиус от 500 до 2 000 км).

Рисунок 5 – Орбиты.

Период обращения спутника вокруг земли зависит от высоты орбиты, поскольку линейная скорость спутника должна быть близкой к первой космической (около 8 км/с), чтобы спутник не падал на землю. В таблице приведены некоторые характеристики различных орбит.

Таблица 2 – Характеристики орбит.

Геостационарные орбиты являются наиболее популярными при создании систем спутниковой связи. Плоскость этой орбиты совпадает с плоскостью экватора, а спутники находятся на высоте около 36 000 км. Период вращения спутника на геостационарной орбите составляет 24 часа в сутки, и для наблюдателя на земле он кажется неподвижным. Это позволяет использовать для связи со спутником высокоэффективные фиксированные узконаправленные антенны. Зона видимости геостационарного спутника составляет почти треть поверхности земли, что позволяет с их помощью обслуживать большие территории. Для обслуживания практически всей земной суши достаточно трех геостационарных спутников. Расстояние между земными станциями, работающими через такой спутник, может достигать нескольких тысяч километров. Недостатком геостационарной орбиты является большое расстояние между спутником и земной станцией. В результате этого происходит сильное затухание сигнала на линии земля-космос, что ужесточает требования к чувствительности приемников и выходной мощности передатчиков. Кроме того, на таких расстояниях становится заметной задержка при распространении сигнала, составляющая около 0,25 секунд при одном скачке (линия земля- космос- земля).

Высокие эллиптические орбиты занимают особое место среди остальных орбит. Во-первых, при угле наклона около 65 градусов, такая орбита отличается высокой стабильностью во времени, что позволяет значительно снизить вес космического аппарата за счет отказа от больших запасов топлива для двигателей коррекции. Во вторых, если верхняя точка орбиты (апогей) расположена над северным полушарием, спутник "освещает" практически всю территорию России, включая приполярные области, а также виден с территории Канады и Японии. Благодаря замедленному движению спутника в апогее такая видимость длится около 8 часов, а угловая скорость его достаточно низка, чтобы антенны земных станций могли "следить" за ним. Эта особенность орбиты позволяет организовать не только обслуживание территории России, но и поддерживать прямую связь с промышленно развитыми регионами Северной Америки и Азии. Такая орбита была использована для первого отечественного спутника связи "Молния". Поэтому на западе высокоэллиптическую орбиту с углом наклона 55 градусов называют "орбитой Молнии".

Низкие орбиты привлекают разработчиков тем, что за счет малого расстояния между спутником и земной станцией потери на линии более чем в тысячу раз меньше, что позволяет значительно снизить требования к мощности передатчиков и чувствительности приемников. С другой стороны, диаметр зоны обслуживания составляет около 500 км, и каждый спутник находится в зоне видимости земной станции около 15-20 минут. Поэтому для организации непрерывной связи необходимо использовать целый флот низкоорбитальных спутников (не менее 48). Кроме того, для работы с низколетящим спутниками необходимо использовать либо малоэффективные широконаправленные антенны, либо узконаправленные антенны со сложными системами слежения за спутниками.

Средние орбиты занимают промежуточное положение между геостационарными и низкими и предлагают некоторое компромиссное решение между двумя этими системами.

Фиксированные спутниковые службы (ФСС) предназначены для организации связи с неподвижными земными станциями и обычно строятся на базе спутников-ретрансляторов, запускаемых на геостационарную орбиту.

Из-за большой высоты орбиты и связанных с этим значительных потерь сигнала на линии космос-земля, для работы с геостационарными спутниками связи используются узконаправленные параболические антенны ("тарелки") с диаметром зеркала от 60 см до 12 и более метров, в зависимости от характеристик бортовых ретрансляторов. Антенны средних размеров (1,2 - 3,8 м) применяются для организации двусторонней связи в спутниковых телекоммуникационных сетях (региональные, местные и корпоративные сети связи, передача данных, распределение телепрограмм и т.п.) на базе спутников средней мощности. Антенны размером менее 1 м нашли широкое применение в системах непосредственного спутникового телевизионного вещания (НТВ) на базе специализированных мощных спутников, а также в сетях высокоскоростного доступа в Интернет.

Отечественные спутники "Горизонт" и "Экспресс" являются маломощными магистральными системами, и для работы с ними необходимы антенны размером 4,5-12 м. К системам средней мощности можно также отнести спутники "Экспресс-М", "Купон", "Ямал", позволяющие использовать для работы с ними небольшие земные станции с антеннами диаметром 1,2-2,4 м. Примером системы НТВ являются отечественные спутники "Галс", "Бонум-1" и зарубежные "Астра" и "ДирекТВ", работающие с антеннами диаметром 45-90 см.

В настоящее время в мире эксплуатируется более сотни геостационарных спутников связи различного назначения. До 80% ресурсов геостационарных спутниковых систем используются для распределения телевизионных программ. Остальные ресурсы загружены передачей данных и телефонной связью.

Мобильные спутниковые службы (МСС) используются для связи с подвижными объектами. В настоящее время наиболее популярной является система МСС "Инмарсат"(Inmarsat), построенная на геостационарных спутниках. Первоначально система создавалась для обеспечения связи с морскими судами, но затем она стала применяться и на суше. Существует широкий спектр абонентских станций "Инмарсат", устанавливаемых на судах, автомобилях, самолетах, а также портативных, размером с атташе-кейс, используемых в отдаленных районах и в зонах стихийных бедствий.

Дальнейшим развитием МСС является создание систем, способных работать с небольшими, размером с сотовый телефон, абонентскими станциями, что требует использования специализированных спутников, обычно размещаемых на низких орбитах (500-1500 км). Относительно малая высота их орбиты позволяет существенно сократить размеры и мощность абонентских устройств. Спутники в этом случае перемещаются относительно поверхности земли, находясь в зоне видимости абонента лишь 10-15 минут, поэтому для поддержания непрерывности связи на орбите должно находиться много спутников. Уже начата эксплуатация первой такой системы - МСС "Иридиум" и еще нескольких подобных систем. Из-за малого времени нахождения одного спутника в зоне видимости абонента (для системы "Иридиум" оно составляет лишь 7 минут), для обеспечения непрерывности связи спутниковая группировка должна состоять из нескольких десятков спутников. Например, российский проект "Гонец" предусматривает запуск 36 спутников, а международные системы состоят из 48-ми ("Глобалстар"), 66-ти ("Иридиум") и, даже, 288-ми ("Теледесик") спутников. Недостатком низкоорбитальных систем является сложность космической группировки и управления ею, а также необходимость постоянной замены спутников из-за короткого срока их существования на низких орбитах (5-7 лет в сравнении с 12-15 годами для геостационарных), что существенно повышает стоимость услуг таких систем. Серьезную конкуренцию низкоорбитальным могут составить системы МСС на базе мощных геостационарных спутников, а также спутниковых систем на высокоэллиптических орбитах.

Современные спутниковые системы предлагают широкий спектр услуг связи от распределения телевизионных и радиопрограмм, региональных, корпоративных и глобальных сетей связи и обмена данными до персональной связи с любой точкой планеты с помощью портативных спутниковых терминалов. В зависимости от потребностей пользователей, используются различные комбинации наземных и спутниковых систем связи. Во многих случаях системы спутниковой связи оказываются наиболее дешевым и экономически выгодными в сравнении с наземными системами.