Спутниковая система связи

23 апреля 1965 г. был запущен на высокую эллиптическую орбиту спутник связи «Молния 1», который ознаменовал становление в нашей стране спутниковой радиосвязи. Почти одновременно в США был запущен на геостационарную орбиту первый спутник коммерческой связи Intesat-1. Таким образом, была реализована заманчивая идея резкого увеличения дальности радиосвязи благодаря размещению ретранслятора высоко над поверхностью Земли, что позволило обеспечить одновременную радиовидимость (по аналогии с прямой радиовидимостью наземных радиорелейных ретрансляторов, обеспечивающих связь всего на 50 км) радиостанций, расположенных в разных точках обширной территории.

Спутник связи представляет по существу микроволновую ретрансляционную станцию. Он используется для связи двух или более наземных передатчиков-приемников, называемых земными, или наземными, станциями. Спутник получает сигнал в одной полосе частоты (восходящая линия), усиливает или повторяет сигнал и передает его на другой частоте (нисходящая линия). Одна орбитальная станция может работать с рядом частотных диапазонов, называемых каналами транспондера или просто транспондерами. На рис. 8.2 изображены две спутниковые системы связи.

Рис. 8.2. Системы спутниковой связи: а – двухточечный спутниковый канал связи; б – широковещательная рассылка через спутник

В первой из них спутник применяется для двухточечной связи между наземными станциями, во второй спутник используется для передачи от наземной антенны к нескольким наземным приемникам (так называемая широковещательная рассылка).

Оптимальный диапазон спутниковой передачи составляет от 1 до 10 ГГц. На частоте ниже 1 ГГц существенное влияние оказывает шум от естественных источников (галактико-солнечный, земной, атмосферный шумы), а также искусственные помехи от различных электронных устройств. При частотах свыше 10 ГГц сигнал значительно затухает из-за атмосферного поглощения и осадков.

Спутник связи – революционная технология, сравнимая по важности с оптическим волокном. Среди наиболее важных применений спутниковой связи можно указать: передачу телевизионных сигналов, междугороднюю-международную связь, частные коммерческие сети.

Конфигурация систем спутниковой связи зависит от типа искусственного спутника Земли, вида связи и параметров земных станций.

Основной характеристикой спутника является орбита, на которой он находится. По степени удаленности от Земли они различаются на геостационарные – 35838 км, низкие околоземные орбиты – от 320 до 1100 км и средние околоземные – 8000 – 1200 км (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Орбиты спутников (не в масштабе)

Еще одной разновидностью орбит, используемых спутниками связи «Молния», в определенной степени оптимальных в обеспечении надежной коммуникации в России, является высокая эллиптическая орбита с периодом обращения 12 ч, наклонением 63°, высотой апогея в северном полушарии в 40000 км.

Движение спутника в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6 – 8 ч. Преимуществом данного типа орбит является большой размер зоны обслуживания при охвате большей части северного полушария. К недостаткам можно отнести необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий.

Уникальной является геостационарная орбита – круговая орбита, расположенная в плоскости экватора с периодом обращения 24 ч. Орбита синхронна с вращением Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Безусловным достоинством геостационарных спутников является большая зона обслуживания, составляющая около трети земной поверхности. Трех спутников достаточно для обеспечения почти глобальной связи, антенны на земных станциях не требуют системы слежения. Однако в северных широтах спутник виден под малым углом к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях. К тому же в виду большой удаленности спутника сигнал сильно ослабевает и имеет вполне ощутимую, даже при телефонных разговорах, задержку (до 0,5 с) при прохождении в оба конца.

Большую популярность приобрели спутники, использующие низковысотные круговые орбиты, плоскости которых наклонены (под разными углами) к плоскости экватора и имеющие ряд важных достоинств. Запуск таких спутников осуществляется с недорогих пусковых установок, нет проблем с ослаблением сигнала (что важно для мобильных и персональных терминалов) и его задержкой. Однако скорость вращения спутника относительно поверхности Земли достаточно велика: в результате длительности сеанса от восхода спутника до его захода не превышает нескольких десятков минут, поэтому требуется много спутников для глобальной связи. Так, компанией Motorolla была предложена в 1987 г. система Iridium, которая была введена в строй в 1988 г. и состояла из 66 спутников (системой Iridium владеет международной консорциум Iridium Inc). Правда, малая зона обслуживания одним спутником имеет и положительную сторону, поскольку позволяет экономить частотный диапазон (зона связи отдельных спутников находится на значительном удалении, что позволяет повторно использовать одни и те же частоты для различных абонентов, что значительно повышает эффективность использования каналов связи). К числу недостатков низкоорбитальных спутников следует отнести влияние эффекта Доплера – изменение частоты принимаемого сигнала от скорости движущегося объекта.

В зависимости от назначения системы спутниковой связи и типа наземных станций регламентом Международного союза электросвязи различаются следующие службы:

фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также распределение телевизионных программ.

подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями, размещенными на транспортных средствах (самолетах, морских судах, автомобилях и т.д.);

радиовещательная спутниковая служба для непосредственной передачи радио- и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у абонентов.

На начальном этапе фиксированная спутниковая служба развивалась в направлении создании систем магистральной связи с применением крупных наземных станций с диаметром зеркала антенн порядка 12 – 30 м. В настоящее время функционирует более 50 таких систем. Это отечественные системы «Молния 3», «Радуга», «Горизонт». Международные системы: Intelsat и Eutelsat. Развитие таких систем идет в направлении увеличения срока службы искусственных спутников, повышения точности их удержания на орбите, разработки и совершенствования многолучевых антенн, а также возможности работы на антенны земных станций малого диаметра (1,2 – 2,4 м) – система VSAT.

В силу международного характера работы транспорта для его управления создаются международные системы глобальной спутниковой связи, например система морской спутниковой связи Inmarsat, которая введена в действие с 1982 г. Она содержит геостационарные спутники, расположенные над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами; береговые станции, установленные на различных континентах; разветвленную сеть судовых станций различных стандартов. В настоящее время системой Inmarsat пользуются более 15 тыс. судов. В рамках организации Inmarsat решаются проблемы создания системы авиационной спутниковой связи.

В последнее время в связи с технологическими успехами в микроэлектронике, разработке лазерных линий межспутниковой связи и т.п. большой интерес проявляется к использованию легких низколетящих искусственных спутников Земли, что оказывается экономически целесообразно. Примером такой системы служит, упоминавшийся ранее, международный проект Iridium, возглавляемый фирмой Motorola. Эту систему предполагалось использовать и для поддержки системы сотовой связи стандарта GSM. Однако пока эта система не имеет коммерческого успеха, и ее существование остается под вопросом.

Международный телекоммуникационный союз утвердил международный стандарт спутникового TV вещания в диапазоне 12 ГГц (НТВ-12). В планах зафиксированы точки стояния спутников, номера частотных каналов, параметров бортовой передающей аппаратуры для различных стран. Так, для спутников бывшего СССР выделено пять точек стояния: 22°; 44°; 74° и 140° восточной долготы. Для непосредственного телевизионного вещания используется более 100 спутников, среди которых TV-SAT-1; TV-SAT-2; TDF-2; TELEX и др.

Для широкого внедрения непосредственного телевизионного вещания требуются многопрограммные спутники с несколькими десятками программ с тем, чтобы, приобретая сравнительно дорогое приемное оборудование, абонент (зритель) мог бы значительно расширить свой телевизионный выбор. В этой связи актуальны работы в области цифрового сжатия телевизионных изображений, позволяющие передавать в одном частотном стволе до 6 – 10 программ одновременно.