6.4. Спутниковые системы персональной связи
К началу ХХI в. число абонентов спутниковых систем персональной связи (ССПС) составит примерно 1 млн, а в начале следующего десятилетия – более 3 млн. В России таких абонентов ожидается около 500 тыс. Близится время объединения наземных и спутниковых систем в глобальную систему связи, когда будет обеспечена досягаемость абонента в любой точке мира путем набора его телефонного номера.
Основные этапы развития космических систем связи:
середина 60-х годов: начало коммерческого использования спутников-ретрансляторов для многоканальной связи, передачи телепрограмм и т.п.;
70-е годы: создание систем спутниковой связи, спутникового телевещания коллективного пользования;
80-е годы: зарождение технологии VSAT (Very Small Aperture Terminal) – технологии малых спутниковых терминалов, устанавливаемых прямо у пользователей, и непосредственного спутникового телевизионного вещания;
конец 90-х годов: начало эксплуатации глобальных спутниковых систем связи.
Основное преимущество ССПС – нет ограничений по привязке к конкретной местности Земли. Услуги, предоставляемые системами спутниковой связи, можно разделить на три основных класса:
системы пакетной передачи данных (доставки циркулярных сообщений, автоматизированного сбора данных о состоянии различных объектов, в том числе транспортных средств и т.д.);
системы речевой (радиотелефонной) связи;
системы для определения местоположения (координат) потребителей.
Системы пакетной передачи данных предназначены для передачи в цифровом виде любых данных (телексных, факсимильных, компьютерных и др.). Скорость пакетной передачи данных составляет от единиц до сотен килобайт в секунду. В этих системах, как правило, отказываются от непрерывности обслуживания и не предъявляют жестких требований к оперативности доставки сообщений.
При радиотелефонной связи в спутниковых системах используют цифровую передачу сообщений, задержка сигнала на трассе распространения не должна превышать 0,3 с и переговоры абонентов не должны прерываться во время сеанса связи. Обслуживание абонентов должно быть непрерывным и происходить в реальном масштабе времени. При построении радиотелефонной спутниковой сети необходимо учитывать, что:
спутники должны оснащаться высокоточной системой ориентации для удержания луча их антенны в заданном направлении;
количество спутников в системе должно быть достаточным для обеспечения сплошного и непрерывного покрытия зоны обслуживания;
для обеспечения достаточного количества каналов связи должны применяться многолучевые антенные системы, работающие на частотах более 1,5 ГГц, что значительно усложняет конструкцию антенн и космических аппаратов (КА);
для обеспечения непрерывности радиотелефонной связи через спутник, оснащенный многолучевыми антенными системами, требуется большое количество узловых (шлюзовых) станций с дорогим коммуникационным оборудованием.
Определение местоположения (координат) абонента на Земле возможно с помощью аппаратуры двух типов:
стандартной навигационной аппаратуры GPS систем ГЛОНАСС/НАВСТАР, обеспечивающей очень высокую точность определения координат потребителя;
специальной навигационной аппаратуры, которая по сигналам спутников персональной связи и (или) шлюзовых станций позволяет определять координаты потребителя с меньшей точностью (около 300 м независимо от времени суток, погодных условий и т.п.).
Спутники связи размещаются обычно на следующих типах орбит:
круговых – трудно реализуемых на практике и требующих частой коррекции с помощью бортовых корректирующих двигателей КА;
близких к круговым – наиболее распространенный тип орбит в системах спутниковой связи (апогей - 1500 км, перигей - 700 км);
эллиптических (высота апогея 38 тыс. – 40 тыс. км, высота перигея - 400-500 км), также широко применяющихся в системах спутниковой связи;
геостационарных. Это круговые экваториальные орбиты с периодом обращения КА, равным периоду обращения Земли (Т 23 ч. 56 мин.) и высотой орбиты около 36 тыс. км. КА на такой орбите находятся постоянно над определенными точками экватора и имеют большую площадь обзора Земли, что позволяет практически тремя спутниками обеспечивать глобальную спутниковую связь.
Параболические и гиперболические орбиты при построении систем связи не применяются.
Высота орбит КА выбирается на основании анализа энергетических характеристик радиолиний, величины задержки при распространении радиоволн, близости к орбите радиационных поясов Ван Аллена, размеров и расположения обслуживаемых территорий. Низкоорбитальные группировки различных космических систем находятся в диапазоне от 700 до 1500 км, что обусловлено высокой плотностью атмосферы ниже 700 км и расположением первого радиационного пояса Ван Аллена выше 1500 км, в котором невозможна работа электронной бортовой аппаратуры. КА, находящийся на низкой орбите, попадает в зону прямой видимости абонента лишь на 8-10 мин, поэтому для обеспечения устойчивой радиосвязи КА должны постоянно сменять друг друга, что ведет к усложнению и удорожанию систем связи. К тому же низкоорбитальные КА имеют меньший срок активного существования, так как при периоде обращения примерно в 100 мин. аккумуляторные батареи испытывают приблизительно 5000 циклов заряда в год от солнечных батарей. Примером реализации низкоорбитальных ССПС являются: Iridium (Motorola Inc., 66 КА на 6 квазиполярных орбитах); Globalstar (Qualcoomm и Loral, 48 КА на 8 орбитах); Гонец (45 КА на 5 орбитах); Сигнал (Международный концерн космической связи, 48 КА на 4 орбитах).
Средневысотные орбиты от 5 тыс. до 15 тыс. км находятся между первым и вторым радиационными поясами Ван Аллена. Задержка распространения сигналов через спутник-ретранслятор на таких высотах составляет примерно 130 мс, что практически неуловимо для человеческого слуха и, следовательно, позволяет использовать такие спутники для радиотелефонной связи. С увеличением высоты орбиты КА зона прямой видимости спутника-ретранслятора и абонента увеличивается, что приводит к уменьшению количества спутников, необходимого для обеспечения непрерывной связи. Из среднеорбитальных систем наиболее известны Inmarsat (10 КА на 2 орбитах), Odyssey (12 КА на 3 орбитах), Ellipso (14 КА на 3 орбитах).
Геостационарным космическим системам присущ один крупный недостаток – большое время распространения радиосигналов, что приводит к задержкам передачи сигналов при радиотелефонной связи. Примером таких систем служат ССПС Comsat (3 КА на геостационарных орбитах), Банкир (3 КА на геостационарных орбитах), Ямал (2 КА на геостационарных орбитах).
Структура спутниковых систем персональной связи. В состав любой спутниковой системы связи входят следующие составляющие (рис. 6.8.):
космический сегмент, состоящий из нескольких спутников-ретрансляторов;
наземный сегмент, состоящий из центра управления системой, центра запуска КА, командно-измерительных станций, центра управления связью и шлюзовых станций;
пользовательский (абонентский) сегмент, осуществляющий связь при помощи персональных спутниковых терминалов;
наземные сети связи, с которыми через интерфейс связи сопрягают шлюзовые станции космической связи.
Рис. 6.8. Структура спутниковых систем персональной связи
Космический сегмент включает в себя несколько спутников-ретрансляторов, которые образуют космическую группировку. В состав любого связного КА входят следующие основные элементы:
центральный процессор;
радиоэлектронное оборудование бортового комплекса;
антенные системы;
система ориентации и стабилизации;
двигательная установка;
система электропитания (аккумуляторы и солнечные батареи).
Центр управления связью планирует использование ресурса спутника, координируя эту операцию с центром управления системой. Центр управления связью осуществляет через национальные шлюзовые станции анализ и контроль связи, а также управление.
Шлюзовая станция состоит из нескольких приемопередающих комплексов (обычно не менее трех), в каждом из которых имеется следящая параболическая антенна. Применение нескольких приемопередающих комплексов позволяет практически без нарушения связи переходить от одного КА к другому. Для управления большим потоком информации в состав шлюзовой станции включены быстродействующие ЭВМ, в которых имеется банк данных персональных терминалов. Шлюзовые станции в своем составе имеют коммутационное оборудование (интерфейсы связи) для соединения с различными наземными системами связи. Основной задачей шлюзовой станции является организация дуплексной телефонной связи, передача факсимильных сообщений, а также данных больших объемов.
Персональный пользовательский сегмент. Для организации спутниковой связи применяют переносные персональные спутниковые терминалы (весом около 700 г) и мобильные терминалы (весом около 2,5 кг). Они способны предоставлять следующие виды услуг:
связь абонентов, имеющих персональные спутниковые терминалы, между собой;
дуплексная связь абонентов, имеющих персональные спутниковые терминалы, с абонентами телефонной сети общего назначения, пейджинговых и сотовых сетей, а также других каналов связи, если указанные сети подключены к интерфейсам связи шлюзовых станций;
определение местоположения (координат) абонентов СПСС.
Данные терминалы устанавливают связь между абонентами за 2 с, как и системы сотовой связи. В настоящее время предлагаются пользователям следующие типы спутниковых терминалов:
портативные терминалы (спутниковый телефон);
переносные персональные терминалы;
мобильные терминалы для автотранспортных, авиа- и морских средств;
малогабаритные пейджинговые терминалы;
терминалы для коллективного пользования.
Персональные спутниковые терминалы подвижной связи работают в диапазонах частот 137-900 и 1970-2520 МГц, которые практически не отличаются от диапазона частот сотовой связи (450 –1800 МГц). Средняя мощность передатчика для спутникового терминала составляет 15-400 мВт. В последнее время все большее внимание уделяется созданию спутниковых систем связи на основе технологии VSAT (Very Small Aperture Terminal), позволяющей использовать спутниковые терминалы с диаметром антенн до 2,5 м. Спутниковый терминал устанавливается, как правило, в непосредственной близости от рабочего места пользователя и является персональным средством связи. Даже при малой скорости (64 Кбит/с) VSAT-терминал обеспечивает одновременную передачу нескольких телефонных разговоров, поддерживает обмен данными и факсимильными сообщениями.
В системе глобальной спутниковой связи предлагается следующий набор услуг:
передача речи (телефонная связь);
передача факсимильных сообщений;
передача данных;
персональный радиовызов (пейджинг);
определение местоположения абонента;
глобальный роуминг.
Эти услуги реализуются в режиме предоставления канала по запросу, причем время его предоставления в спутниковых системах не превышает 2 с. При подключении компьютера к спутниковому терминалу можно обмениваться файлами в реальном масштабе времени со скоростью примерно 0,5-1 страница в секунду.