2.3.3. Спутниковые системы

Типы спутниковых систем. Спутниковая связь используется для организации высокоскоростных микроволновых протяженных линий. Поскольку для них нужна прямая видимость, которую из-за кривизны Земли невозможно обеспечить на больших расстояниях, именно спутник как отражатель сигнала является единственным решением этой проблемы.

США в 1962 году запустили первый телекоммуникационный спутник Telstar-1, который поддерживал 600 голосовых каналов. Сегодня спутник может играть роль узла первичной сети, а также телефонного коммутатора и коммутатора/маршрутизатора компьютерной сети. Для этого аппаратура спутников может взаимодействовать не только с наземными станциями, но и между собой, образуя прямые космические беспроводные линии связи. Принципиально техника передачи микроволновых сигналов в космосе и на Земле одинакова, но у спутниковых линий связи есть очевидная специфика – один из узлов такой линии постоянно находится в полете, причем на большом расстоянии от других узлов.

Для спутниковой связи Международный союз телекоммуникаций (International Telecommunications Union, ITU) выделил несколько частотных диапазонов (табл.2).

Таблица 2

Исторически первым использовался диапазон C, где для каждого из дуплексных потоков Земля-спутник (восходящая частота) и спутник-Земля (нисходящая частота) выделяется по 500 МГц – достаточно для большого числа каналов. Диапазоны L и S предназначены для организации мобильных услуг с помощью спутников. Они часто используются и наземными системами. Диапазоны Ku и Ka ввиду высокой стоимости оборудования пока используются мало.

Известно, что искусственные спутники Земли вращаются вокруг нее в соответствии с законами Кеплера. Орбита вращения спутника в общем случае является эллиптической, но для сохранения постоянной высоты над Землей спутники могут переходить на почти круговую орбиту. Сегодня используются три группы круговых орбит, различающихся высотой над Землей:

• геостационарная – 35863 км;

• средневысотная – 5000-15000 км;

• маловысотная – 100-1000 км.

Геостационарный спутник висит над определенной точкой экватора, в точности следуя направлению и скорости вращения Земли. Такое положение имеет следующие преимущества:

• ¼ поверхности Земли оказывается с такой высоты в зоне прямой видимости. Поэтому легко организовать широкое вещание и дальнюю связь для страны или континента;

• спутник неподвижен для наземных антенн, что значительно облегчает организацию связи. Не нужно автоматически корректировать направление наземной антенны, как раньше делали для низкоорбитальных и средневысотных спутников. С появлением в 1990 году небольших всенаправленных антенн ситуация изменилась – теперь уже не нужно следить за положением низкоорбитального спутника, достаточно, чтобы он находился в зоне прямой видимости;

• спутник находится за пределами земной атмосферы и меньше «изнашивается». Низкоорбитальные спутники из-за трения о воздух постоянно теряют высоту, и им приходится восстанавливать ее с помощью двигателей.

Геостационарные спутники обычно поддерживают большое число каналов за счет наличия нескольких антенн. Раньше для работы с геостационарными спутниками на Земле требовались очень большие антенны – «тарелки» диаметром до 10 м. Это затрудняло использование геостационарных спутников для небольших организаций и отдельных пользователей. Ситуация изменилась с появлением на спутниках направленных антенн, создающих сигнал, который можно принимать с помощью сравнительно небольших наземных антенн – миниатюрных апертурных терминалов (Very Small Aperture Terminals, VSAT). Диаметр антенны VSAT составляет около 1 м. Наземные станции, оснащенные VSAT, предоставляют сегодня большой набор услуг (телефония, передача данных, конференции).

Недостатки геостационарных спутников:

• большие задержки распространения сигнала от 230 до 280 мс из-за большого удаления от поверхности Земли (при передаче разговора или телевизионного диалога возникают неприятные паузы);

• ощутимые потери сигнала на таких расстояниях, что требует использования мощных передатчиков и тарелок больших размеров (это не относится к антеннам VSAT, но при их использовании уменьшается область охвата);

• плохая связь для районов, близких к Северному и Южному полюсам Земли. Сигналы для них проходят больший путь и больше ослабляются. Решением является спутник, имеющий эллиптическую орбиту, приближающийся к Земле как раз в районах упомянутых полюсов. Таковы отечественные спутники серии «Молния».

Геостационарные спутники не могут располагаться на орбите ближе 2˚ друг к другу. Из этого следует то, что на орбите может находиться не более 180 таких спутников.

На основе геостационарных спутников создаются системы доступа в Internet, например, Spaceway, Astrolink, Euro Skyway. Они ориентированы на использование антенн VSAT и обещают предоставлять пользователям каналы 2-10 Мбит/с.

Средне- и низкоорбитальные спутники. Среднеорбитальные спутники пока наименее популярны, обеспечивают диаметр покрытия 10000-15000 км и задержку распространения сигнала 50 мс. Они поддерживают различные глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) [9-26], из которых сегодня функционируют пока только две:

• измерение дальности и времени по навигационному спутнику (Navigation Satellite Time and Ranging, NAVSTAR) глобальная система позиционирования (Global Positioning System, GPS) – часто именуемая просто GPS [11,14-15];

• российская глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС).

Они развертывались почти одновременно (1993-1996 гг.), однако их навигационные «идеологии» сильно различаются [12-13].

ГНСС предназначены для определения текущих координат пользователя на поверхности Земли или в околоземном пространстве. ГНСС объединяет 2-3 десятка спутников, сеть наземных станций слежения за ними, а также неограниченное число пользовательских приемников-вычислителей. По радиосигналам спутников приемники пользователей должны устойчиво и точно (до десятков метров) определять координаты самолетов, кораблей, космических аппаратов, автомобилей и т.п. Основные ГНСС рассмотрены в 2.3.4.

Достоинства и недостатки низкоорбитальных спутников противоположны соответствующим качествам геостационарных спутников. Главное их достоинство – близость к Земле, следствием чего являются меньшие требуемые мощность передатчиков, размеры антенн, время распространения сигнала (20-25 мс). Кроме того, их легче запускать. Основной недостаток – малая площадь покрытия (диаметром около 8000 км). Период оборота вокруг Земли низкоорбитального спутника составляет 1,5-2 часа, а время видимости его наземной станцией – 20 минут. Это значит, что постоянная связь может быть обеспечена только при наличии на орбите достаточно большого числа низкоорбитальных спутников. А атмосферное трение снижает срок их службы до 8-10 лет.

Низкоорбитальные спутники рассматриваются как важное средство поддержки мобильной связи. В начале 90-годов компания Motorola с партнерами начала проект Iridium – создание всемирной спутниковой сети, обеспечивающей мобильную связь в любой точке земного шара. При отсутствии плотной системы сот мобильной телефонии такой проект казался весьма перспективным.

В 1997 году были запущены 66 спутников, а в 1998 году началась коммерческая эксплуатация системы Iridium. Спутники действительно покрывают поверхность земного шара, вращаясь по 6 орбитам, проходящим через полюсы Земли. На каждой орбите находится по 11 спутников, имеющих передатчики на частоте 1,6 ГГц с полосой пропускания 10 МГц. В этой полосе организованы 240 каналов шириной по 41 КГц каждый. За счет многократного использования частот система Iridium поддерживает всего 253440 каналов, организуя системы скользящих по поверхности Земли сот. Основная услуга – телефонная связь (7 долларов в минуту, скорость 2,4 Кбит/с).

Спутника Iridium могут передавать друг другу информацию со скоростью 25 Мбит/с. Поэтому телефонный вызов идет от спутникового телефона Iridium прямо на спутник, находящийся в зоне видимости. Затем этот спутник маршрутизирует вызов через систему промежуточных спутников к спутнику, ближайшему к вызываемому абоненту. Система Iridium представляет собой сеть с полным собственным стеком протоколов, обеспечивающим всемирный роуминг.

К сожалению, система Iridium, не выдержала конкуренции с растущей наземной сетью сотовой связи. Сегодня система Iridium Satellite используется в труднодоступных местах на скорости 10 Кбит/с.

Другая спутниковая сеть Orbcomm предоставляет сервис передачи данных не в режиме реального времени. Если спутник невидим, терминал Orbcomm просто хранит пакеты, пока спутник не войдет в зону видимости. Это приводит к чрезвычайной неравномерности передачи данных, вместо долей секунды в Internet в этой сети паузы иногда длятся минутами.

Когда стало ясно, что мобильная телефония будет поддерживаться в основном наземными сотовыми сетями, ориентация многих спутниковых систем меняется, на первый план выходит предоставление скоростного доступа в Internet. В число таких систем входит спутниковая система Teledesic, одним из основателей которой является Билл Гейтс. В этой системе, создаваемой с 90-х годов, спутники представляют собой полноценные маршрутизаторы, соединенные межспутниковыми (космическими) каналами 64 Кбит/с.