Спутниковые системы связи начали создаваться в то время, когда все основные диапазоны частот уже были распределены между наземными радиосистемами. Вследствие этого спутниковые системы связи должны работать в условиях, когда в выделенных для спутниковой связи полосах частот работают другие радиосистемы, в основном радиорелейные системы связи [1,5,7].
С целью упрощения спутникового ретранслятора его полосы частот на передачу и прием разделены большим защитным промежутком, поэтому для спутниковой системы связи указываются два диапазона частот: на передачу и на прием. Более высокая частота используется в радиолиниях "Земля-Космос", а более низкая частота — в радиолиниях "Космос-Земля".
В технической литературе широко используются также буквенные литеры диапазонов частот, взятые из радиолокации (табл. 2.1). Точное разбиение диапазонов частот по литерам выдерживается не всегда строго.
Таблица 2.1 Диапазоны частот спутниковых систем передачи
| Буквенные литеры диапазонов частот | L | S | C | X | Ku | Ka |
| Диапазоны литерных частот, ГГц | От 1 до 2 | От 2 до 4 | От 4 до 8 | От 8 до 12,5 | От 12,5 до 18 | От 18 до 40 |
| Диапазоны частот спутниковой связи, ГГц | 1,5/1,6 | - | 4/6 | 7/8 | 11/12 | 20/30 |
В порядке возрастания укажем основные диапазоны частот для спутниковых систем связи и вещания.
1. 0,24-0,4 ГГц. Диапазон частот используется для мобильных систем связи военного назначения, в первую очередь для военно-морского флота и военно-воздушных сил.
2. 1,5/1,6 ГГц. В этом диапазоне частот выделена полоса частот шириной 29 МГц для создания спутниковых систем связи с мобильными объектами: морскими и воздушными судами, автомобилями, для персональной связи. Наиболее крупной системой этого диапазона частот является глобальная международная (с участием России) спутниковая система связи INMARSAT на базе геостационарных КА.
3. 1,9/2,1; 1,6/2,5 ГГц. Полосы частот шириной порядка 30 МГц в этом диапазоне частот выделены для низко- и среднеорбитальных систем мобильной и персональной связи.
4. 4/6 ГГц. Диапазон частот выделен для создания глобальных и региональных сетей связи со стационарными земными станциями на базе геостационарных КА. Полоса частот составляет 800 МГц. В настоящее время этот диапазон перегружен, и новые системы связи фиксированной спутниковой службы создаются в более высоких диапазонах частот.
5. 7/8 ГГц. Диапазон частот с полосой 500 МГц используется для военных систем связи со стационарными и мобильными терминалами.
6. 11/14 ГГц. Диапазон частот с полосой 800 МГц выделен для создания сетей связи со стационарными станциями. В этом диапазоне разрешено также создание на вторичной основе сетей связи с мобильными терминалами, за исключением самолетов. В этом диапазоне частот создаются в основном национальные или региональные системы связи. К настоящему времени этот диапазон близок к насыщению.
7. 12 ГГц. Каналы "Космос-Земля" в полосе 800 МГц выделены для геостационарных систем непосредственного теле- и радиовещания на стационарные персональные приемники.
8. 20/30 ГГц. Диапазон частот с полосой 2,5 ГГц выделен для создания геостационарных и негеостационарных систем связи со стационарными и мобильными терминалами, кроме самолетов.
2.3. Орбиты спутников телекоммуникационных систем.
Спутниковые системы связи отличаются друг от друга видом космического сегмента. Группировки КА различают по высоте:
- геостационарная (ГЕО или GEO);
- высокоэллиптические (ВЭО или HEO);
- средние и низкие круговые орбиты (MEO и LEO);
наклонению орбиты; количеству космических аппаратов в группировке и её структурой. Орбиты ИСЗ во многом определяют такие важные показатели систем связи, как: размеры, конфигурацию и расположение на поверхности Земли возможных зон обслуживания, продолжительность взаимной радиосвязи, срок эксплуатации КА.
Рассмотрим важнейшие особенности КА на различных орбитах.
Рис. Типы орбит КА: экваториальные, наклонные, полярные.
Геостационарная орбита. Большинство существующих ССП (систем спутниковой передачи) используют наиболее выгодную для размещения спутников геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной связи в глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие сдвига частоты, обусловленного доплеровским эффектом.
Геостационарные спутники, располагаясь на высоте примерно 36 тыс. км. и, двигаясь со скоростью вращения Земли, как бы "зависают" над определенной точкой земной поверхности, которая располагается на экваторе (так называемой подспутниковой точкой). ИСЗ на орбите испытывает незначительный "дрейф" под воздействием ряда факторов, вызывающих деградацию орбиты. Изменение положения на орбите за год может достигать 0,92 градуса. Основными параметрами, определяющими угловой разнос между соседними КА на ГЕО, являются пространственная избирательность бортовых и наземных антенн, а также точность удержания КА на орбите. У современных КА точность удержания на орбите достигает сотых долей градуса благодаря применению сложных систем стабилизации [4,10]
Связь через геостационарный КА не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и земной станции, а система из трех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной поверхности – рис. 2.1.
Орбитальный ресурс современных геостационарных ИСЗ достаточно высок и составляет 15 лет.
Рис. 2.1. Глобальная система связи на трёх геостационарных спутниках.
Однако такие системы имеют ряд недостатков, главный из которых — задержка сигнала. Спутники на геостационарных орбитах оптимальны для систем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс (в каждом направлении) не сказываются на качественных характеристиках сигналов. Системы радиотелефонной связи более чувствительны к задержкам, а поскольку суммарная задержка в системах данного класса достигает 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), даже современная техника эхоподавления не всегда позволяет обеспечить связь высокого качества. В случае "двойного скачка" (ретрансляции через земную станцию-шлюз) задержка становится неприемлемой уже более чем для 20% пользователей.
Зона охвата геостационарных КА не включает в себя высокоширотные районы (выше 76,5° с.ш. и ю.ш.), т. е. действительно глобальное обслуживание не гарантируется. Следует также отметить, что геостационарные КА могут обеспечить услуги персональной связи лишь в том случае, если формируемые ими на поверхности Земли зоны обслуживания примерно одинаковы с зонами, образуемыми низкоорбитальными спутниками.
Средневысотные орбиты. Средневысотные системы обеспечивают более качественные характеристики обслуживания подвижных абонентов, чем геостационарные, поскольку в поле зрения абонента одновременно находится большое число КА. За счет этого появляется возможность увеличить минимальные углы видимости КА до 25—30°, что позволяет снизить дополнительный энергетический запас радиолинии, необходимый для компенсации потерь на распространение в ближней зоне (при наличии в ней деревьев, зданий и других преград).
Однако при выборе местоположения негеостационарной орбитальной группировки (ОГ) необходимо учитывать природные ограничения — пространственные пояса заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли, так называемые радиационные пояса Ван-Аллена (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Радиационные пояса Земли (Ван-Аллена)
1- внутренний; 2- внешний; 3 – самый внешний.
Первый устойчивый пояс высокой радиации начинается примерно на высоте 1,5 тыс. км и простирается до 9 тыс. км, его "размах" составляет примерно 30° по обе стороны от экватора. Второй пояс столь же высокой интенсивности (10 тыс. имп./с) располагается на высотах от 13 до 19 тыс. км, охватывая около 50° по обе стороны от экватора. Третий, самый внешний – от 55 тыс. км до 75 тыс. км.
Трасса средневысотных спутников проходит между первым и вторым поясами Ван-Аллена, т. е. на высоте от 5 до 15 тыс. км. Зона обслуживания каждого КА существенно меньше, чем геостационарного, поэтому для глобального охвата с однократным покрытием наиболее населенных районов Земного шара и судоходных акваторий необходимо создать ОГ из 8—12 спутников. Суммарная задержка сигнала при связи через средневысотные спутники составляет не более 130 мс, что позволяет использовать их для радиотелефонной связи.
Рис. 2.3. Орбитальная группировка из 24 КА на круговых средневысотных полярных орбитах с высотой 10 тыс. км
Таким образом, средневысотные спутники выигрывают у геостационарных по энергетическим показателям, проигрывая им по продолжительности пребывания КА в зоне радиовидимости земных станций (1,5—2 ч).
Что же касается орбитального ресурса средневысотных КА, то он лишь незначительно меньше, чем у геостационарных. Период обращения спутника вокруг Земли для средневысотных круговых орбит составляет около 6 ч (при высоте 10 350 км), из которых в тени Земли КА находится лишь несколько минут. Это позволяет значительно упростить технологические решения, используемые в бортовой системе электропитания, и, в конечном счете, довести срок службы КА до 12—15 лет.
Системы со средневысотными КА обеспечивают лучшие, чем GEO-КА, характеристики обслуживания абонентов благодаря тому, что они имеют большие углы радиовидимости и в зоне радиовидимости находится большее число спутников.
Структура систем на средневысотных орбитах различается незначительно. Во всех этих системах орбитальная группировка создается примерно на одной и той же высоте (10 352—10 355 км) со сходными параметрами орбит.
Низкие круговые орбиты. В зависимости от величины наклонения плоскости орбиты относительно плоскости экватора различают низкие экваториальные (наклонение 0°), полярные (наклонение 90°) и наклонные орбиты. Системы с низкими наклонными и полярными орбитами применяются в основном для научно-исследовательских целей, а для организации мобильной и персональной связи эти системы стали использоваться только в последние годы. Сегодня наиболее интенсивно осваиваются низкие наклонные и полярные орбиты высотой 700—1500 км, а также экваториальные высотой 2 тыс. км.
Спутники на низких орбитах обладают значительными преимуществами перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА. Если период обращения спутника составляет 100 мин, то в среднем 30% времени он находится на теневой стороне Земли. Аккумуляторные бортовые батареи испытывают приблизительно 5 тыс. циклов зарядки/разрядки в год, вследствие чего срок их службы, как правило, не превышает 5—8 лет.
Выбор диапазона высот от 700 до 2 тыс. км для низкоорбитальных систем неслучаен. С одной стороны, на орбитах высотой менее 700 км плотность атмосферы относительно высока, что вызывает колебания эксцентриситета и деградацию орбиты (постепенное снижение высоты апогея). Кроме того, уменьшение высоты орбиты приводит к увеличению числа штатных маневров для сохранения заданной орбиты, а следовательно, к повышению расхода топлива. С другой стороны, на орбитах выше 1,5 тыс. км, где располагается первый радиационный пояс Ван-Аллена, длительная работа электронной бортовой аппаратуры практически невозможна, если не использовать специальных методов защиты от радиационного излучения. Применение же этих методов ведет к существенному усложнению бортовой аппаратуры и увеличению массы КА.
Однако чем меньше высота орбиты, тем меньше мгновенная зона обслуживания, и, следовательно, для глобального охвата требуется значительно большее количество спутников. Если низкоорбитальная система должна обеспечить глобальную связь с непрерывным обслуживанием, то необходимо, чтобы в орбитальную группировку входило не менее 48 КА. Период обращения спутника на этих орбитах составляет от 90 мин до 2 ч, а максимальное время пребывания КА в зоне радиовидимости не превышает 10—15 мин.
Эллиптические орбиты. Основными параметрами, характеризующими тип эллиптической орбиты (ЭО), являются период обращения спутника вокруг Земли и эксцентриситет (показатель эллиптичности орбиты). В настоящее время используются несколько типов эллиптических орбит с большим эксцентриситетом. Все указанные орбиты являются синхронными, т.е. спутник, выведенный на такую орбиту, имеет период обращения, кратный времени суток.
Для спутников на ЭО характерно то, что их скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее. Следовательно, КА будет находиться в зоне видимости определенного региона в течение более длительного времени, чем спутник, орбита которого является круговой - рис. 2.4.
Рис. 2.4. КА на высокоэллиптической орбите
КА с более низким апогеем выигрывают у спутников на высокоэллиптических орбитах по энергетическим характеристикам, проигрывая им в продолжительности сеансов. Системы с КА на эллиптических орбитах также не лишены "природных" ограничений. Постоянство местоположения КА на эллиптической орбите обеспечивается только при двух значениях наклонения плоскости орбиты к экватору — 63,4° и 116,6°. Это объясняется воздействием неоднородностей гравитационного поля Земли, из-за которого большая ось эллиптической орбиты испытывает вращательный момент, что приводит к колебаниям широты подспутниковой точки в апогее. Другой фактор, влияющий на выбор параметров эллиптических орбит, связан с необходимостью учитывать опасные воздействия радиационных поясов Ван-Аллена.
2.4. Классификация ССП.
Системы спутниковой передачи (ССП) можно классифицировать по ряду признаков, например, следующим образом [6].
1. По видам связи:
- для двухсторонней связи и обмена другими видами информации (телефонная связь, межмашинный обмен, доступ в Интернет и др.);
- для передачи дискретных сообщений небольшого объёма с запоминанием и переносом их на борту КА в заданный регион.
2. По типам используемых абонентских станций (в порядке возрастания энергетического потенциала):
- носимые,
- подвижные,
- стационарные (перевозимые).
3. По размерам и расположению обслуживаемой территории:
- глобальные, обеспечивающие связь на всей территории Земли;
- региональные, обеспечивающие связь в различных, достаточно крупных регионах Земли, превышающих зону радиовидимости одного КА;
- зональные, обеспечивающие связь только в зоне радиовидимости одного КА.
4. По времени предоставления связи:
- с непрерывной связью в реальном масштабе времени на всей обслуживаемой территории;
- с периодическим предоставлением канала связи;
- с непрерывной связью в приоритетных регионах и периодической связью на остальных территориях Земли.
Перечень признаков, по которым различаются системы, можно было бы продолжить, но и этого достаточно, чтобы оценить, насколько широк спектр параметров, от выбора которых зависит создание оптимальной для решения конкретных задач системы.
Наиболее простыми являются системы связи между абонентами только в зоне радиовидимости одного КА и системы с переносом информации (типа «электронная почта»), а наиболее сложными – системы для обеспечения непрерывной связи в глобальном и региональном масштабах. Они требуют сплошного покрытия обслуживаемой территории зонами радиовидимости КА и, следовательно, создания группировок КА определённой структуры, обеспечения связности системы, т.е. объединения зон радиовидимости КА в единое целое, выбора способов минимизации длины маршрута (числа ретрансляций) при организации связи между любыми точками на обслуживаемой территории, оценки времени ожидания канала и его существования в течение определённого времени и т.д.
Обобщив изложенный выше материал, классификацию спутниковых систем передачи можно проиллюстрировать рисунком 2.5. На рисунке в дополнение к рассмотренным ранее ССП приведены низкоорбитальные системы связи, разделяемые по виду предоставляемых услуг на системы передачи данных на базе little LEO, радиотелефонные системы big LEO и системы широкополосной связи mega LEO (в литературе используется также обозначение Super LEO)
Рис.2.5. Классификация спутниковых систем передачи.
