Ранее дальняя связь с морскими судами и самолетами осуществлялась в диапазоне коротких волн за счет многократного отражения радиосигналов от слоя F2 ионосферы и поверхности Земли. Связь в диапазоне коротких волн характеризуется низкой надежностью и неудовлетворительным качеством передачи телефонного сигнала из-за большого количества помех разного рода в этом диапазоне и неустойчивого характера распространения радиосигналов.
Создание спутниковых систем связи с мобильными терминалами позволило разработать надежные высококачественные каналы дальней связи с морскими и воздушными судами, а также с сухопутными мобильными терминалами. В настоящее время спутниковые каналы связи с мобильными терминалами обеспечивают передачу в цифровой форме телефонных сигналов, факсимиле, электронной почты. Создаются спутниковые высокоскоростные мультимедийные каналы связи для мобильных терминалов.
КА фиксированной спутниковой связи и КА телевещания освещают главным образом сушу земного шара и не могут использоваться для связи с морскими судами и самолетами межконтинентальных авиалиний. Кроме того, антенны земных станций фиксированной связи имеют большие габариты и не могут устанавливаться на самолеты, автомобили и другие мобильные объекты. Поэтому для мобильных терминалов необходимо создавать отдельные специализированные системы спутниковой связи.
В этих системах должна обеспечиваться работа мобильных терминалов с малогабаритными антеннами. Из-за недостаточной энергетики спутниковых каналов связи с малогабаритными терминалами скорости передачи информации в них оказываются существенно ниже, чем в каналах связи со стационарными станциями. Можно сказать, что скорости передачи информации в спутниковых системах связи с мобильными терминалами определяются исключительно энергетикой спутниковых радиолиний. Структура спутниковой системы мобильной связи показана на рис. 6.1.
Рис. 6.1. Структура спутниковой системы мобильной связи
Протокол спутниковой мобильной связи. Рассмотрим схему (протокол) организации связи на примере международной морской спутниковой системы INMARSAT, в которой для абонентских радиолиний используются диапазоны частот 1,5/1,6 ГГц, а для фидерных линий — 4/6 ГГц. Система INMARSAT использует многостанционный доступ с частотным разделением каналов и метод передачи телефонного сигнала "один канал на несущую", т.е. терминалы являются одноканальными. На выделяемой несущей частоте мобильный терминал может работать в телефонном режиме, режиме передачи данных, либо в телеграфном режиме (телекс).
В системе связи INMARSAT для каналов внеполосной сигнализации выделяются одна закрепленная несущая частота для приема запросных сигналов от терминалов или береговых (базовых на рис. 6.1) станций и одна закрепленная несущая частота для передачи сигналов управления и сигнализации терминалам и береговым станциям от так называемой координирующей станции системы. В исходном состоянии приемники терминалов и один приемник береговой станции настроены на прием несущей частоты сигналов управления и сигнализации.
Для установления связи судовой терминал передает на общей запросной частоте в диапазоне 1,6 ГГц короткий запросный пакет с указанием типа сообщения (телефон и др.), адреса береговой станции и междугородного или международного номера вызываемого абонента наземной сети общего пользования, к которой подсоединена береговая станция. Ретранслятор с глобальным лучом принимает запросный сигнал в диапазоне частот 1,6 ГГц, переносит его в диапазон частот 4 ГГц и переизлучает в глобальном луче.
Этот сигнал запроса принимается координирующей станцией сети связи, которая выделяет пару свободных дуплексных частот для связи и по каналу управления передает значения этих частот терминалу и береговой станции вместе с запросным пакетом. Синтезаторы частот терминала и береговой станции автоматически перестраиваются и устанавливают нужные частоты своей приемопередающей аппаратуры. При этом организуются канал связи "Терминал - береговая станция" и обратный канал связи. Затем производится вызов абонента наземной сети связи общего пользования. По окончании связи терминал и береговая станция посылают сигнал "конец связи" в сторону координирующей станции. Освободившиеся частоты связи могут быть предоставлены другим терминалам.
Каналы связи для мобильных терминалов. Условия работы и соответственно каналы связи для разных классов мобильных терминалов - морских, авиационных, автомобильных, - существенно различаются. Соответственно системы спутниковой связи для мобильных терминалов создаются с учетом этих различий.
Рис. 6.2. Полосы частот ретранслятора КА:
а – на передачу; б – на приём
С позиции упрощения антенной системы и станции в целом для мобильного объекта предпочтительно использование метрового и дециметрового диапазонов волн. В настоящее время для геостационарных спутниковых коммерческих систем в этих диапазонах волн выделен только диапазон частот 1,5/1,6 ГГц с полосой рабочих частот 29 МГц. Распределение этой полосы частот между различными службами показано на рис. 6.2.
Связь с морскими судами. Для этой цели используется международная система спутниковой связи INMARSAT с четырьмя геостационарными КА над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами с глобальными лучами ретрансляторов (над Атлантическим океаном размещается КА с пятью узкими лучами в глобальной зоне обслуживания). Система морской спутниковой связи в принципе должна быть международной, поскольку ни одна страна, за исключением России, не видит одновременно все КА системы INMARSAT со своей территории и все страны должны использовать береговые станции на чужих территориях при связи со своими судами.
Зоны обслуживания трех геостационарных КА системы INMARSAT с глобальными лучами антенн показаны на рис. 6.3.
Земная или судовая станция внутри зоны обслуживания видит КА под углом места 5° и выше. Морские терминалы могут работать и под меньшими углами места, вплоть до нулевого, однако при этом испытывают воздействие отраженных от морской поверхности сигналов, попадающих в основной лепесток диаграммы направленности приемной антенны, что приводит к сильным замираниям радиосигнала. Для компенсации
Рис.6.3. Зоны обслуживания КА системы INMARSAT и
расположение береговых станций.
замираний сигналов энергетические потенциалы абонентских радиолиний увеличены на 7 дБ для обеспечения надежности связи 99%.
В системе INMARSAT используются терминалы с направленной антенной диаметром 0,8-1м (коэффициент усиления 23 дБ). Антенна имеет гиростабилизацию при работе терминала в движении и управление от датчика курса. Передача данных в зональном луче осуществляется со скоростью 56-64 кбит/с, телефонная и факсимильная связь – 2,4-9,6 кбит/с.
Связь с воздушными судами. Спутниковые каналы связи с воздушными судами имеют свои особенности. Поскольку самолетная антенна располагается в верхней части фюзеляжа, корпус самолета экранирует часть отраженных от Земли сигналов, так что отношение мощности прямого луча к мощности отраженных лучей составляет порядка 13 дБ при полете над морской поверхностью. Для достижения надежности связи 99% в этом случае достаточен запас по энергетике абонентских радиолиний на замирания сигнала порядка 4 дБ. Однако большие задержки отраженных лучей относительно прямого луча при связи с самолетами приводят к межсимвольной интерференции сигналов, ограничивая скорость передачи информации в радиоканале до величины около 9,6 кбит/с.
Спутниковые каналы связи с самолетами создаются для связи и навигации самолетов на трассах полета, которые не могут обслуживаться наземными радиосредствами. Сюда относятся трассы полетов над океанами, труднодоступными и пустынными местностями. В соответствии с концепцией Международной организации гражданской авиации (ICAO) самолеты, совершающие международные рейсы, должны быть оборудованы приемником спутниковой навигационной системы. С её помощью определяются координаты воздушного судна, которые периодически в автоматическом режиме должны передаваться от воздушного судна через спутниковый канал связи на наземную диспетчерскую станцию системы организации воздушного движения.
Связь с сухопутными мобильными терминалами. Спутниковая связь с сухопутными мобильными терминалами (автомобили, персональная связь) трудноосуществима и находится в начале своего развития. Этот наиболее массовый вид связи определяется в большей степени национальными задачами отдельных стран и создается в рамках региональных систем мобильной и персональной связи.
При использовании геостационарных КА связь с автомобилями в средних и высоких широтах оказывается ненадежной из-за экранирования трассы распространения сигнала различными препятствиями: деревьями, холмами, зданиями и т.п. Для надежной связи с мобильными и персональными терминалами необходимо обеспечить углы места терминалов не менее 30-40°. Поэтому для средних и высоких широт более выгодными оказываются группировки КА на высоких эллиптических орбитах типа "Молния", а также на круговых низких и средних орбитах.
