.

Типы систем спутниковой связи

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.

Спутники "Горизонт" и "Экспресс" являются маломощными магистральными системами, 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.

Диапазоны частот

Использование различных частот для систем радиосвязи и вещания, включая спутниковые, строго регламентируется международными организациями. Это необходимо для достижения совместимости различных систем, а также для предотвращения взаимных помех при работе различных служб. В 1977 году состоялась Всемирная административная радио конференция (WARC-77) по планированию вещательной спутниковой службы, на которой был принят ныне действующий Регламент радиосвязи. В соответствии с ним вся территория Земли разделена на три района, для вещания в каждом из которых выделены свои полосы частот.

Район 1 включает Африку, Европу, Россию, Монголию и страны СНГ.

Район 2 охватывает территорию Северной и Южной Америки.

Район 3 это территории Южной и Юго-Восточной Азии, Австралия и островные государства Тихо-Океанского региона.

В соответствии с этим регламентом для систем спутниковой связи выделено несколько диапазонов частот, каждый из которых получил условное обозначение буквой латинского алфавита.

 

Наименование диапазона

Полоса частот в ГГц

L-диапазон

1,452-1,550 и 1,610-1,710

S - диапазон

1,93 - 2,70

С - диапазон

3,40 -5,25 и 5,725 - 7,075

X - диапазон

7,25 - 8,40

Ки - диапазон

10,70 - 12,75 и 12,75 - 14,80

Ка - диапазон

15,40 - 26,50 и 27,00 - 30,20

К - диапазон

84,0 - 86,0

 

Большинство действующих систем спутниковой связи на базе геостационарных спутников работают в диапазонах С (6/4 Ггц) и Ku (14/11 Ггц). Ка - диапазон в нашей стране пока широко не применяется, но идет его бурное освоение в Америке и Европе.

Эффективность приемных зеркальных антенн ("тарелок") пропорциональна числу длин волн, укладывающихся в ее поперечнике. А длина волны с увеличением частоты уменьшается. Следовательно, при одинаковой эффективности размеры антенн уменьшаются с увеличением частоты. Если для приема в диапазоне С требуется антенна 2,4 - 4,5 м, то для диапазона Ku ее размер уменьшится до 0,6 - 1,5 м, для диапазона Ка он может быть уже 30 - 90 см, а для К - диапазона - всего 10 - 15 см.

При одинаковых размерах антенна в диапазоне Ku имеет коэффициент усиления примерно на 9,5 дБ больше, чем в диапазоне C. Обычно, ЭИИМ спутников в диапазоне C не превышает 40-42 дБ, тогда как в диапазоне Ku нередки уровни ЭИИМ 50-54 дБ для систем фиксированной спутниковой связи, и даже 60-62 дБ для спутников систем НТВ. По тем же причинам, коэффициент усиления приемных антенн на спутниках-ретрансляторах в диапазоне Ku выше, чем в диапазоне C. В результате, размеры антенн и мощность передающих устройств земных станций в диапазоне Ku в большинстве случаев меньше, чем в диапазоне C.

Например, для работы со спутником "Горизонт" в диапазоне C требуются земные станции с антеннами не менее 3,5 м и передатчиком около 20 Вт. В то же время, земные станции с такой же пропускной способностью для работы со спутником "Интелсат" (Intelsat) в диапазоне Ku могут оснащаться антеннами диаметром 1,2 м и передатчиком 1 Вт. Стоимость первой станции примерно в два раза выше, чем второй при одинаковых пользовательских характеристиках.

В пользу диапазона Ku говорит также факт, что полоса частот, выделенных МСЭ для систем спутниковой связи в этом диапазоне, более чем два раза превышает полосу в диапазоне C.

К недостаткам диапазона Ku следует отнести повышенные, по сравнению с диапазоном C, потери во время дождя, что требует создания запаса по усилению антенны для их компенсации. Это ограничивает применение диапазона Ku в регионах с тропическим и субтропическим климатом. Для большинства же районов России необходимый запас не превышает 3-4 дБ, для создания которого достаточно увеличить диаметр антенны на 20-30% в сравнении с регионами с сухим климатом.

В связи с изложенным, большинство сетей спутниковой связи на базе VSAT строятся в диапазоне Ku.

Для работы систем спутниковой связи выделяются определенные полосы частот, в рамках которых возможно размещение большого числа каналов.

При используемых в настоящее время методах модуляции полоса частот одного симплексного (однонаправленного) канала, выраженная в килогерцах (кГц), примерно равна скорости передачи, выраженной в килобитах в секунду (кбит/с). Таким образом, для передачи данных в одном направлении со скоростью 64 кбит/с требуется полоса около 65 кГц, а для канала Е1 (2048 кбит/с) необходима полоса частот около 2 МГц.

Для двухсторонней (дуплексной) связи требуемую полосу необходимо удвоить. Следовательно, для организации дуплексного канала со скоростью передачи 2 Мбит/с потребуется полоса частот около 4 МГц. Это соотношение выполняется и для большинства других радиоканалов, а не только спутниковых.

Для стандартного спутникового ствола с полосой 36 МГц максимальная скорость передачи составляет около 36 Мбит/с. Но большинству пользователей такие высокие скорости не нужны и они используют лишь часть этой полосы. Поэтому в одном стволе спутника могут работать десятки пользователей и необходимо предпринимать меры по разделению сигналов различных пользователей.