Характеристика спутниковых сетей связи

3. Дуплексная связь между одной центральной станцией и несколькими, периферийными – радиальная связь (рис.3,г). Ответы последних передаются независимо друг от друга. Система связи такого типа относится к классу циркулярных систем, так как станции с меньшим объемом информации (периферийные) устанавливают связь между собой лишь через центральную станцию – система связи с центральной станцией.

Энергетически более выгодным вариантом организации таких линий связи является применение ретранслятора со сложной обработкой сигнала, включающей демодуляцию сигналов отдельных направлений и их последующее асинхронное временное уплотнение. В этом случае на радиолинии 2-1 передается дискретный сигнал, и использование мощности ретранслятора будет наилучшим. Промежуточным случаем применения частотного и временного уплотнения сигналов различных направлений является случай, когда вначале осуществляется демодуляция сигналов отдельных направлений, а затем их частотное уплотнение и передача группового сигнала по способу частотной модуляции.

2 Назначение и классификация систем спутниковой связи

2.1 Назначение и статус систем спутниковой связи

Все системы спутниковой связи и вещания подразделяются на три категории:

1. фиксированной спутниковой службы (ФСС);

2. подвижной спутниковой службы (ПСС);

3. радиовещательной спутниковой службы (РСС).

4. мультимедийная широковещательная связь

Системы фиксированной спутниковой службы предназначены для связи земных стационарных станций между собой.

Системы подвижной спутниковой службы предназначены для связи мобильных объектов (морские, воздушные суда, автомобили и др.) со стационарными наземными станциями спутниковой связи и подключения к ведомственным сетям связи и сетям общего пользования, а также для связи персональных (носимых) терминалов с соответствующими наземными станциями и сетями связи.

Системы вещательной спутниковой службы предназначены для организации распределения телевизионных и радиовещательных программ по регионам страны для последующей их трансляции по региональным эфирным сетям вещания, а также для организации непосредственного теле- и радиовещания на персональные телерадиоприемные устройства.[3]

Системы мультимедийной широковещательной связи обеспечивают доступ в ИНТЕРНЕТ, передачу видеоинформации, видеоконференцсвязь, услуги телемедицины, дистанционного образования и др.

Каждая спутниковая служба имеет свои, отведённые только для неё, диапазоны частот.

Статус системы зависит от её назначения, степени охвата обслуживаемой территории, размещения и принадлежности земных станций. В зависимости от статуса ССС можно разделить на международные (глобальные и региональные), национальные, ведомственные и корпоративные.

Статус системы во многом определяет космический сегмент, и прежде всего, орбиты космических аппаратов.

2.2 Диапазоны частот, используемые в спутниковых системах связи и вещания

Спутниковые системы связи начали создаваться в то время, когда все основные диапазоны частот уже были распределены между наземными радиосистемами. Вследствие этого спутниковые системы связи должны работать в условиях, когда в выделенных для спутниковой связи полосах частот работают другие радиосистемы, в основном радиорелейные системы связи.

С целью упрощения спутникового ретранслятора его полосы частот на передачу и прием разделены большим защитным промежутком, поэтому для спутниковой системы связи указываются два диапазона частот: на передачу и на прием. Более высокая частота используется в радиолиниях "Земля-Космос", а более низкая частота — в радиолиниях "Космос-Земля".[4]

Таблица 1 - Диапазоны частот спутниковых систем передачи

В технической литературе широко используются также буквенные литеры диапазонов частот, взятые из радиолокации (табл.1). Точное разбиение диапазонов частот по литерам выдерживается не всегда строго.

В порядке возрастания укажем основные диапазоны частот для спутниковых систем связи и вещания.

1. 0,24-0,4 ГГц. Диапазон частот используется для мобильных систем связи военного назначения, в первую очередь для военно-морского флота и военно-воздушных сил.

2. 1,5/1,6 ГГц. В этом диапазоне частот выделена полоса частот шириной 29 МГц для создания спутниковых систем связи с мобильными объектами: морскими и воздушными судами, автомобилями, для персональной связи. Наиболее крупной системой этого диапазона частот является глобальная международная (с участием России) спутниковая система связи INMARSAT на базе геостационарных КА.

3. 1,9/2,1; 1,6/2,5 ГГц. Полосы частот шириной порядка 30 МГц в этом диапазоне частот выделены для низко и среднеорбитальных систем мобильной и персональной связи.

4. 4/6 ГГц. Диапазон частот выделен для создания глобальных и региональных сетей связи со стационарными земными станциями на базе геостационарных КА. Полоса частот составляет 800 МГц. В настоящее время этот диапазон перегружен, и новые системы связи фиксированной спутниковой службы создаются в более высоких диапазонах частот.

5. 7/8 ГГц. Диапазон частот с полосой 500 МГц используется для военных систем связи со стационарными и мобильными терминалами.

6. 11/14 ГГц. Диапазон частот с полосой 800 МГц выделен для создания сетей связи со стационарными станциями. В этом диапазоне разрешено также создание на вторичной основе сетей связи с мобильными терминалами, за исключением самолетов. В этом диапазоне частот создаются в основном национальные или региональные системы связи. К настоящему времени этот диапазон близок к насыщению.

7. 12 ГГц. Каналы "Космос-Земля" в полосе 800 МГц выделены для геостационарных систем непосредственного теле- и радиовещания на стационарные персональные приемники.

8. 20/30 ГГц. Диапазон частот с полосой 2,5 ГГц выделен для создания геостационарных и негеостационарных систем связи со стационарными и мобильными терминалами, кроме самолетов.

2.3 Орбиты спутников телекоммуникационных систем

Спутниковые системы связи отличаются  друг от друга  видом космического сегмента. Группировки КА различают по высоте:[5]

-         геостационарная (ГЕО или GEO);

-         высокоэллиптические (ВЭО или HEO);

-         средние  и низкие круговые орбиты (MEO и LEO);

Орбиты ИСЗ во многом определяют такие важные показатели систем связи, как: размеры, конфигурацию и расположение на поверхности Земли возможных зон обслуживания, продолжительность взаимной радиосвязи, срок эксплуатации КА.

Рассмотрим важнейшие особенности КА на различных орбитах.

Рисунок 4 - Типы орбит КА: экваториальные, наклонные, полярные

Геостационарная орбита. Большинство существующих ССП (систем спутниковой передачи) используют наиболее выгодную для размещения спутников геостационарную орбиту, 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 под спутниковой точкой). ИСЗ на орбите испытывает незначительный "дрейф" под воздействием ряда факторов, вызывающих деградацию орбиты. Изменение положения на орбите за год может достигать 0,92 градуса.

Связь через геостационарный КА не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и земной станции, а система из трех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной поверхности – рис. 5.

Орбитальный ресурс современных геостационарных ИСЗ достаточно высок и составляет 15 лет.

Рисунок 5 - Глобальная система связи на трёх геостационарных спутниках

Однако такие системы имеют ряд недостатков, главный из которых — задержка сигнала. Спутники на геостационарных орбитах 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 достигает 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 земную станцию-шлюз) задержка становится неприемлемой уже более чем для 20% пользователей.

Средневысотные орбиты. 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° , что позволяет снизить дополнительный энергетический запас радиолинии, необходимый для компенсации потерь на распространение в ближней зоне (при наличии в ней деревьев, зданий и других преград).

Первый устойчивый пояс высокой радиации начинается примерно на высоте 1,5 тыс. км и простирается до 9 тыс. км, его "размах" составляет примерно 30° по обе стороны от экватора. Второй пояс столь же высокой интенсивности (10 тыс. имп./с) располагается на высотах от 13 до 19 тыс. км, охватывая около 50° по обе стороны от экватора. Третий, самый внешний – от 55 тыс. км до 75 тыс. км.

Таким образом, средневысотные спутники выигрывают у геостационарных по энергетическим показателям, проигрывая им по продолжительности пребывания КА в зоне радиовидимости земных станций (1,5—2 ч).

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.

Структура систем на средневысотных орбитах различается незначительно. Во всех этих системах орбитальная группировка создается примерно на одной и той же высоте (10 352—10 355 км) со сходными параметрами орбит.

Низкие круговые орбиты. В зависимости от величины наклонения плоскости орбиты относительно плоскости экватора различают низкие экваториальные (наклонение 0°), полярные (наклонение 90°) и наклонные орбиты. Системы с низкими наклонными и полярными орбитами применяются в основном для научно-исследовательских целей,  а  для организации мобильной и персональной связи эти системы стали использоваться только в последние годы. Сегодня наиболее интенсивно осваиваются низкие наклонные и полярные орбиты высотой 700—1500 км, а также экваториальные высотой 2 тыс. км.

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.

Эллиптические орбиты. Основными параметрами, характеризующими тип эллиптической орбиты (ЭО), являются период обращения спутника вокруг Земли и эксцентриситет (показатель эллиптичности орбиты). В настоящее время используются несколько типов эллиптических орбит с большим эксцентриситетом. Все указанные орбиты являются синхронными, т.е. спутник, выведенный на такую орбиту, имеет период обращения, кратный времени суток.

Для спутников на  ЭО характерно то, что их скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее. Следовательно, КА будет находиться в зоне видимости определенного региона в течение более длительного времени, чем спутник, орбита которого является круговой - рис. 6.