Виды орбит спутниковых систем

Низкоорбитальные системы. Одним из направлений развития спутниковой связи в 1990-х гг. стали системы на базе низкоор­битальных КА, высота орбит которых находится в пределах 700—1500 км. Низкоорбитальные системы отличаются возмож­ностью использования сравнительно недорогих малогабаритных спутниковых терминалов и позволяют обеспечить бесперебой­ную связь с терминалами, размещенными в любой точке Земли, но особенно эффективны при организации связи в регионах со слабо развитой инфраструктурой. К числу низкоорбитальных систем относится система спутниковой связи Iridium, созданная при сотрудничестве Японии, США и России. В разрабатываемом проекте вначале предусматривалось использование 77 спутни­ков, именно поэтому проект получил свое название, поскольку иридий в таблице Менделеева является 77-м элементом. В со­став орбитальной группировки низкоорбитальной глобальной системы спутниковой связи Globalstar входят 48 спутни­ков-ретрансляторов, размещенных на 8 круговых орбитах (по 6 спутников на каждой).

Среднеорбитальные системы. К системам среднеорбитальной спутниковой связи относятся системы на базе среднеорбитальных КА, высота орбит которых находится в пределах 5—15 тыс. км. При таких орбитах время видимости одного спутника-ретрансля­тора доходит до нескольких часов, что позволяет уменьшить ко­личество спутников до 10—12. К числу среднеорбитальных систем связи наиболее известны Inmarsat, ISO и Odyssey, созданные раз­личными международными организациями и концернами.

Системы связи с использованием стационарных спутников предусматривают «зависание» спутника над заранее выбранными точками Земли. Такое «зависание» обеспечивается высотой ор­биты 35 875 км, на которой скорость перемещения КА совпадает со скоростью вращения Земли. К числу преимуществ систем связи с использованием геостационарных спутников можно от­нести — отсутствие перерывов связи, охват связью 95 % поверх­ности Земли системой из трех геостационарных спутников. На­пример, система «Банкир», использующая космический сегмент из трех геостационарных спутников связи «Купон», предназна­чена для оперативного обмена информацией в российских бан­ковских и финансовой системах с выходом на банковские систе­мы ближнего и дальнего зарубежья. Система геостационарной спутниковой связи «Ямал» — результат сотрудничества России и США в области создания и эксплуатации систем спутниковой связи, состоит из двух малых КА «Ямал» и предназначена для развития телекоммуникационных сетей в северных районах Рос­сии, богатых залежами нефти и газа.

Геостационарные системы. Для создания постоянных кана­лов телекоммуникаций служат геостационарные спутники, вися­щие над экватором на высоте около 36 ООО км. Теоретически три таких спутника могли бы обеспечить связью практически всю обитаемую поверхность Земли (см. рис. 2.19, б). Спутники, ра­ботающие на одной и той же частоте, должны быть разнесены по углу не менее чем на 2°. Это означает, что число таких спут­ников не может быть больше 180. В противном случае они долж­ны работать в разных частотных диапазонах. При работе в более высокочастотных диапазонах угловое расстояние между спутни­ками можно сократить до Г.

Реально геостационарная орбита переполнена спутниками различного назначения и национальной принадлежности. Обыч­но спутники помечаются географической долготой мест, над ко­торым они располагаются. На практике геостационарный спут­ник визуально не стоит на месте, а выполняет движение по ви­димой траектории, имеющей вид «восьмерки». Угловой размер этой восьмерки должен укладываться в рабочую апертуру антен­ны, в противном случае антенна должна иметь сервопривод, обеспечивающий автоматическое слежение за спутником. Из-за энергетических проблем телекоммуникационный спутник не мо­жет обеспечить сигнал высокого уровня. По этой причине на­земная антенна должна иметь большой диаметр, а приемное оборудование — низкий уровень шума. Это особенно важно для северных областей, для которых угловое положение спутника над горизонтом невысоко (для широт более 70°), а сигнал замет­но ослабляется, проходя довольно толстый слой атмосферы. Спутниковые каналы могут быть рентабельны для областей, от­стоящих друг от друга более чем на 400—500 км (при условии, что других средств не существует). Правильный выбор спутника (его долготы) может заметно снизить стоимость канала.

Число позиций для размещения геостационарных спутников ограничено. В последнее время для телекоммуникаций планиру­ется применение так называемых низколетящих спутников (<1000 км; период обращения около 1 часа). Эти спутники дви­жутся по эллиптическим орбитам, и каждый из них по отдельно­сти не может гарантировать поддержание стационарного канала, но в совокупности эта система обеспечивает весь спектр услуг (каждый из спутников работает в режиме «запомнить и пере­дать»), Из-за малой высоты полета наземные станции в этом случае могут иметь небольшие антенны и малую стоимость.

Работа наземных терминалов со спутником

Существует несколько способов работы совокупности назем­ных терминалов со спутником. При этом могут использовать­ся — метод запросов, система ALOHA, мультиплексирование по частоте (FDM), по времени (TDM).

Схема запросов предполагает, что наземные станции образу­ют логическое кольцо, вдоль которого двигается маркер. Назем­ная станция может начать передачу на спутник, лишь получив этот маркер.

Система ALOHA (разработана в Гавайском университете в 1970-х годах) позволяет каждой станции начинать передачу в произвольный момент времени. Такая схема с неизбежностью приводит к конфликтам. Связано это отчасти с тем, что пере­дающая сторона узнает о конфликте лишь спустя около 270 мс. После возникновения коллизии станция ожидает некоторый пе­риод времени и совершает повторную попытку передачи. Такой алгоритм доступа обеспечивает эффективность использования канала на уровне около 18 %, что мало эффективно для таких дорогостоящих каналов, как спутниковые. По этой причине чаще используется доменная версия системы ALOHA, которая удваивает эффективность. Одна наземная станция (эталонная) периодически посылает специальный сигнал, который использу­ется всеми участниками для синхронизации.

Метод мультиплексирования по частоте (FDM) является ста­рейшим и наиболее часто используемым. Типичный транспондер с полосой 36 Мбит/с может быть использован для получения 500 х 64 Кбит/с каналов, каждый из которых работает со своей уникальной частотой, чтобы исключить интерференцию с други­ми. Соседние каналы должны отстоять на достаточном расстоя­нии друг от друга. Кроме того, должен контролироваться уровень передаваемого сигнала, так как при слишком большой выходной мощности могут возникнуть интерференционные помехи в сосед­нем канале. Если число станций невелико и постоянно, частот­ные каналы могут быть распределены стационарно. Но при пере­менном числе терминалов или при заметной флуктуации загрузки приходится переходить на динамическое распределение ресурсов.

Один из механизмов такого распределения имеет название SPADE, он использовался в первых версиях систем связи на базе INTELSAT. Каждый транспондер системы SPADE содержит 794 симплексных каналов по 64-Кбит/с и один сигнальный канал с полосой 128 Кбит/с, которые используются попарно для обеспе­чения полнодуплексной связи. При этом восходящий и нисходящий каналы имеют полосу по 50 Мбит/с. Сигнальный ка­нал делится на 50 доменов по 1 мс (128 бит). Каждый домен при­надлежит одной из наземной станции, число которых не превы­шает 50. Когда станция готова к передаче, она произвольным об­разом выбирает неиспользуемый канал и записывает номер этого канала в очередной свой 128-битовый домен. Если один и тот же канал попытаются занять две или более станции, происходит кол­лизия, и они вынуждены будут повторить попытку позднее.

Метод мультиплексирования по времени сходен с FDM и до­вольно широко применяется на практике. Здесь также необходи­ма синхронизация для доменов. Это делается, как и в доменной системе ALOHA, с помощью эталонной станции. Присвоение доменов наземным станциям может выполняться централизо­ванно или децентрализованно. Рассмотрим систему ACTS (Advanced Communication Technology Satellite). Система имеет 4 независимых канала по 110 Мбит/с (два восходящих и два нисходящих). Каждый из каналов структурирован в виде 1-ми- лисекундных кадров, имеющих по 1728 временных доменов. Ка­ждый из временных доменов имеет 64-битовое поле данных, что позволяет реализовать голосовой канал с полосой в 64 кбит/с. Управление временными доменами с целью минимизации вре­мени перемещения вектора излучения спутника предполагает знание географического положения наземных станций. Управле­ние временными доменами осуществляется одной из наземных станций (MCS — Master Control Station).

Работа системы ACTS организована в трехшаговый процесс. Каждый из шагов занимает 1 мсек. На первом шаге спутник по­лучает кадр и запоминает его в 1728-ячеечном буфере. На вто­ром — бортовая ЭВМ копирует каждую входную запись в выход­ной буфер (возможно, для другой антенны). И, наконец, выход­ная запись передается наземной станции.

В исходный момент каждой наземной станции ставится в соот­ветствие один временной домен. Для получения дополнительного домена, например, для организации еще одного телефонного кана­ла, станция посылает запрос MCS. Для этих целей выделяется спе­циальный управляющий канал емкостью 13 запросов в секунду.

Классы и услуги спутниковых систем

Спутниковые системы связи в зависимости от вида предо­ставляемых услуг можно подразделить на следующие классы:

• системы пакетной передачи данных предназначены для пе­редачи в цифровом виде любых данных (телексных, факси­мильных сообщений, компьютерных). Скорость пакетной передачи данных в космических системах связи составляет от единиц до сотен килобайт в секунду. В этих системах не предъявляют жестких требований к оперативности достав­ки сообщений. Например, в режиме «электронная почта» поступившая информация запоминается бортовым компь­ютером и доставляется корреспонденту в определенное время суток;

• системы речевой (радиотелефонной) спутниковой связи используют цифровую передачу сообщений в соответствии с международными стандартами: задержка сигнала на трас­се распространения не должна превышать 0,3 с, обслужи­вание абонентов должно быть непрерывным и происходить

в реальном масштабе времени, а переговоры не должны прерываться во время сеанса связи;

• системы для определения местоположения (координат) по­требителей, таких как автотранспортных, авиа- и морских средств.

Все системы глобальной спутниковой связи предлагают сле­дующий набор услуг:

• передача речи;

• передача факсимильных сообщений;

• передача данных;

• персональный радиовызов (пейджинг);

• определение местоположения абонента (GPS — Global Positioning System);

• глобальный роуминг.

Для организации персональной спутниковой связи применя­ют переносные персональные спутниковые терминалы (весом около 700 г) и мобильные терминалы (весом около 2,5 кг). Дан­ные терминалы способны устанавливать связь между абонентами за 2 с, как и в системе сотовой связи. Промышленные образцы спутниковых терминалов не столь многочисленны, как радиоте­лефоны и находятся в стадии постоянного совершенствования. Например, спутниковый телефон системы Iridium представляет собой малогабаритную конструкцию со встроенной антенной и весом несколько сотен граммов. Сопряжение спутникового теле­фона с сетями сотовой связи обеспечивает дополнительное уст­ройство — SIM-карта.

Дата добавления: 2014-11-29