logo
Учебное пособие по Шабалину

3) Спутниковая связь.

Системы персональной спутниковой связи обладают рядом преимуществ по сравнению с сотовыми системами. Например, если пользователь сотовых систем ограничен пределами зоны обслуживания местных базовых станций и в территориально труднодоступных местах связь не возможна (моря, пустыни, горная местность), то спутниковые системы способны обеспечить связь на любой территории.

Орбиты космических аппаратов (КА) классифицируются: по форме, периодич­ности прохождения (КА) над точками земной поверхности и наклонению.

По форме различают следующие типы орбит:

В зависимости от того, на каком расстоянии от Земли находится спутник – ретранслятор, различают геостационарные, среднеорбитальные и низкоорбитальные системы спутниковой связи.

Геостационарные (рис. 50) – это круговые орбиты с периодом обращения спутника, равным периоду обращения Земли (Т ≈ 23 ч 56 мин). На такой орбите КА располагается на высоте На = Нп ≈ 36000 км и находится постоянно над определенной точкой Земли.

Чем ниже – тем больше увеличивается мощность радиосигнала и появляется возможность уменьшения размера абонентского терминала.

Глобальные системы спутниковой связи

Существует много различных систем спутниковой связи, обеспечивающих связь на определенных территориях (регионах). Но можно выделить несколько систем, осуществляющих связь по всему миру, которые принято называть глобальными системами спутниковой связи. К таким системам относятся GlobalStar, Inmarsat, Iridium.

GlobalStar – система спутниковой связи, созданная в 1991г. международным консорциумом телекоммуникационных корпораций во главе с компаниями Qualcomm и Loral Space & Communications. В консорциум входят такие крупные корпорации, как Alcatel, France Telecom. Система изначально разрабатывалась для предоставления всего спектра телекоммуникационных услуг широкому кругу пользователей (голосовая связь, SMS, роуминг, передача данных, определение координат). Особенностью системы является интеграция с существующими системами сотовой связи.

Система Globalstar (рис. 51) представляет собой сеть из 48 спутников, находящихся на орбитах 1414 км от поверхности Земли и большого числа наземных станций. Спутники сгруппированы в восьми орбитальных плоскостях (в каждой плоскости по 6 спутников). Дополнительно на орбиту выведены 8 резервных спутников, которые способны заменить основной спутник в случае выхода его из строя. После вывода всех спутников на орбиту и ввода в строй всех наземных станций покрытие земного шара будет составлять около 80% (исключая полярные зоны и центральные области океанов). Для связи с мобильными телефонами и наземными станциями используется стандарт CDMA. Система работает в диапазонах 1,6 и 2,5 ГГц, каждый из спутников покрывает зону обслуживания шестнадцатью лучами, обеспечивающими связь в зонах, диаметром несколько тысяч километров каждая.

Устройство спутников достаточно простое, поскольку они работают по принципу bent-pipe (согнутой трубы), как ретрансляторы. Обработку сигнала обеспечивают наземные станции. Связь между абонентами осуществляется только через наземные станции, которых для обслуживания всей планеты нужно 210. В функции наземных станций входит, помимо сопряжения различных групп спутников, управление связью и полетами. Оборудование для организации связи поставляется компаниями – членами консорциума: Qualcomm, Alcatel и Loral.

Абонентские терминалы в системе Globalstar бывают трех типов: портативные, мобильные и стационарные. Первый тип – трубка, аналогичная по размерам трубке сотового телефона. Мобильные терминалы предназначены для установки в транспортные средства. Терминалы бывают трех видов (по числу поддерживаемых стандартов): трехмодовые (Globalstar/AMPS/CDMA), двумодовые (Globalstar/GSM) и одномодовые (только Globalstar). Как и все CDMA-аппараты, терминалы Globalstar поддерживают плавную регулировку мощности передатчика в весьма широких пределах (от 2 до 400 мВт), что позволяет в хороших условиях связи продлить срок работы аппарата на аккумуляторах, а также повысить безопасность пользования. Двух- и трехмодовые телефоны можно использовать в существующих сотовых сетях. С июня 2000 г. система предоставляет также услуги определения местоположения (аналогичные GPS) и передачу данных.

Inmarsat (International Mobile Satellite Organisation) – система спутниковой связи, созданная в 1979 г. для обеспечения связи в районах, где традиционные виды связи отсутствуют. Изначально система была предназначена для использования в морской связи (обеспечение безопасности судов), в дальнейшем – стала универсальной.

В настоящее время спутниками системы Inmarsat обеспечивается покрытие до 98% поверхности Земли. Каждый из них покрывает приблизительно одну треть поверхности Земли, причем зоны обслуживания перекрываются. Всего используется четыре спутника, расположенные на геостационарной орбите высотой 35786 км.

Полностью аналоговые спутники первого поколения были запущены в эксплуатацию в 1980–1982 гг. Спутники второго поколения были произведены компанией British Aerospace и выведены на орбиту в 1990–1992 гг. взамен устаревших первого поколения. Сейчас они используются, в основном, как запасные, на случай выхода из строя спутников третьего поколения. Третье поколение спутников производства Lockheed Martin было выведено на орбиту с 1996 г. по 1998 г. На 2004 г. запланировано начало вывода на орбиту спутников четвертого поколения. Новые спутники будут иметь мощность, в сто раз превышающую показатели предыдущего поколения, что позволит осуществлять передачу данных по каналам Inmarsat с высокой скоростью (до 432 Кбит/с) и снизить тарифы примерно на 25%.

Система Inmarsat использует большое количество внутренних стандартов (Inmarsat-A, Inmarsat-B, Inmarsat-C, Inmarsat-M, Inmarsat-mini M, Inmarsat-M4, Inmarsat-Aero, Inmarsat-E , Inmarsat-D и Inmarsat-D+ ), что связано с постоянным совершенствованием услуг и улучшением качества связи. Компания имеет лицензии на использование в 171 государстве.

I

Рис. 52 . Система спутниковой связи Iridium

ridium (Иридиум) – система спутниковой связи (рис. 52), концепция которой была создана инженерами фирмы Motorola. Система должна была состоять из 77 спутников, что дало ей название (77 – количество электронов в химическом элементе иридий). В дальнейшем количество лучей у спутников было увеличено, и это позволило уменьшить число спутников до 66. Разработка структуры и принципов функционирования началась в 1987 г. К 1991 г. была образована корпорация Iridium LLC, в состав которой вошли 17 компаний, в том числе Motorola (главный инвестор), Vebacom Holdings, Pacific Asia Communications, Raytheon, SK Telecom, ГКНПЦ имени Хруничева. К н ачалу 2001 г. Iridium стала самой дорогой по количеству инвестиций системой спутниковой связи. Система Иридиум состоит из 66 низкоорбитальных спутников (высота орбиты всего 780 км), обеспечивающих 100% покрытие земной поверхности. Первый спутник был запущен в январе 1996 г., к 2000 г. – все 66. Спутники являются интеллектуальными, то есть при необходимости ретранслируют сигнал между собой без участия наземных станций слежения. В отличие от систем Globalstar и Immarsat региональные координирующие станции не нужны. Каждый из спутников покрывает зону шириной около 4 000 км. Скорость вращения спутников вокруг Земли высокая – один оборот совершается примерно за один час, при этом связь не прерывается – терминал абонента автоматически переключается на работу с другим спутником. Кроме охвата земной поверхности, Iridium обеспечивает связь до высоты в 180 км, что позволяет использовать систему для авиационной связи. 12 наземных станций слежения выполняют роль связи с наземными сетями связи.

Отдельно можно выделить GPS (Global Positioning System, глобальная система позиционирования) – система определения координат с помощью спутников Земли, созданная Министерством обороны США.

Первоначально GPS предназначалась для военных нужд. В дальнейшем было разрешено использование системы в коммерческих целях. До 2000 г. все пользователи системы делились на две категории: привилегированные (военные) и обычные (гражданские). Для гражданских пользователей GPS в сигнале спутников была доступна лишь часть информации, которая позволяла определять координаты с ошибкой до нескольких десятков или даже сотен метров, в то время как для военных система работала с максимальной точностью – погрешность составляла не более нескольких метров. С 2000 г. ограничения для гражданских пользователей были отменены.

В период с 1978 по 1994 гг. на орбиту высотой около 20 тыс. км были выведены 24 основных спутника, обеспечивающих функционирование системы GPS. В дальнейшем было добавлено еще четыре резервных спутника. За работой системы следят четыре наземные станции, в обязанности которых входит корректировка навигационной информации и часов в спутниках, а также контроль работоспособности каждого из них. Коммерческая эксплуатация GPS началась в 1995 г. Владельцем всех спутников и наземных сооружений, несмотря на коммерциализацию GPS, является Министерство обороны США.

В системе GPS абонентский терминал представляет собой многоканальный приемник, имеющий возможность одновременно принимать сигнал с нескольких спутников. Принцип работы системы основан на сравнении временных задержек между принятыми сигналами с минимум трех (обычно – четырех-восьми) спутников и вычисление координат по удаленности от нескольких точек с известными координатами (то есть спутников).

Для увеличения точности определения координат (например, в геодезии и картографии точность в несколько метров может оказаться недостаточной) используется метод дифференциального GPS. При этом, помимо спутникового сигнала, приемник использует сигнал стационарного, мощного передатчика, положение которого известно и стабильно. Это позволяет нивелировать проблемы позиционирования, так как можно вычислить текущую ошибку системы, сравнив реальные координаты стационарного передатчика с данными, полученными через систему GPS.