Низкоорбитальные супутники

Тема: Бездротові технології зв’язку

Інфрачервоні й міліметрові хвилі

Інфрачервоне й міліметрове випромінювання без використання кабелю широко застосовується для зв'язку на невеликих відстанях. Дистанційні пульти керування для телевізорів, відеомагнітофонів і стереоаппаратури використають інфрачервоне випромінювання. Вони відносно, дешеві й легко встановлюються, але мають один важливий недолік: інфрачервоне випромінювання не проходить крізь тверді об'єкти (спробуйте встати між телевізором і пультом)..

З іншого боку, той факт, що інфрачервоні хвилі не проходять крізь стіни, є також і позитивним. Адже це означає, що інфрачервона система в одній частині будинку не буде звязана із подібною системою в сусідній кімнаті - ви, на щастя, не зможете управляти зі свого пульта телевізором сусіда. Крім того, це підвищує захищеність інфрачервоної системи від прослуховування в порівнянні з радіосистемою. Із цієї причини для використання інфрачервоної системи зв'язку не потрібна державна ліцензія, на відміну від радіозв'язку (крім діапазонів ISM). Зв'язок в інфрачервоному діапазоні застосовується в настільних обчислювальних системах (наприклад, для зв'язку ноутбуків із принтерами), але все-таки не грає значимої ролі в телекомунікації.

Супутники зв'язку

В 1950-х і початок 60-х років люди намагалися організувати зв'язок за допомогою сигналів, відбитих від металевих метеозондів. На жаль, потужність таких сигналів була занадто мала, і їхнє практичне значення виявилося незначним. Потім США виявив, що в небі постійно висить якась подоба метеозонда - це була Місяць. Була побудована система для зв'язку берегових служб із кораблями, у якій використалося відбиття сигналів від природного супутника Землі.

Подальший прогрес у створенні комунікацій за допомогою небесних тіл на цьому призупинився до запуску першого супутника зв'язку. Ключовою відмінністю штучної?місяця? було те, що на супутнику було встановлене встаткування, що дозволяє підсилити вхідний сигнал перед відправленням його назад на Землю. Це перетворило космічний зв'язок із міфу в потужну технологію.

Супутникам зв'язку властиві певні властивості, що роблять їх надзвичайно привабливими для самих різних областей застосування. Найпростіше представити собі супутник зв'язку у вигляді свого роду величезного мікрохвильового повторювача, що висить у небі. Він містить у собі трохи транспондерів, кожний з яких настроєний на певну частину частотного спектра. Транспондеры підсилюють сигнали й перетворять їх на нову частоту, щоб при відправленні на Землю відбитий сигнал не накладався на прямій.

Нвихідний промінь може бути як широкого, покриваючого величезного простору на Землі, так і вузьким, котрий можна прийняти в області, обмеженої лише декількома сотнями кілометрів. Останній метод називається трубою.

Відповідно до закону Кеплера, період обігу супутника дорівнює радіусу орбіти в ступені 3/2. Таким чином, чим вище орбіта, тим довше період.

Поблизу поверхні Землі період обігу навколо її становить приблизно 90 хвилин. Отже, супутники, розташовані на малій висоті, занадто швидко зникають із виду приймально-передавальних пристроїв, розташованих на Землі, тому необхідно організовувати безперервні зони покриття. На висоті 35 800 км період становить 24 години. А на висоті 384 000 км супутник буде обходити Землю цілий місяць, у чому може переконатися будь-який бажаючий, спостерігаючи за Місяцем.

Звичайно, період обігу супутника дуже важливо мати на увазі, але це не єдиний критерій, по якому визначають, де його розмістити. Необхідно приймати в увагу так називані пояси Ван Аллена (Van Allen belts) -області скупчення часток з більшим зарядом, що перебувають у зоні дії магнітного поля Землі. Супутник, потрапивши в такий пояс, досить швидко буде знищений цими частками. У результаті обліку цих факторів були виділені три зони, у яких можна безпечно розміщати штучних супутників. Вони зображені на мал. 2.13. Із цього ж малюнка можна довідатися про деяких з їхніх властивостей.

Ми коротенько розглянемо супутники, розташовувані в кожній із цих трьох зон.

Геостаціонарні супутники

Геостаціона́рна орбі́та (ГСО) — кругова орбіта, обертаючись на якій штучний супутник постійно перебуває над однією й тією ж точкою земної поверхні.

Геостаціонарна орбіта є особливим випадком геосинхронної орбіти. Вона розташована над екватором Землі, на висоті 35 786 км над рівнем моря. Саме така висота забезпечує супутнику період обертання, рівний сидеричному періоду обертання Землі (23 години 56 хвилин). Тобто, супутник обертається навколо планети з кутовою швидкістю, що дорівнює кутовій швидкості обертання Землі навколо своєї осі і, начебто непорушно зависає у небі.

Застосовується для розміщення комунікаційних, телетрансляційних та ін. штучних супутників.

Ідеї застосування геостаціонарних супутників з метою зв'язку висловлювалася ще К. Е. Ціолковським та словенським теоретиком космонавтики Германом Поточніком 1928 року, але вони не здобули широкого визнання. Переваги геостаціонарної орбіти стали широко відомими після публікації науково-популярної статті Артура Кларка у журналі «Бездротовий Всесвіт» (1945). На Заході геостаціонарні та геосинхронні орбіту іноді називають «орбітами Кларка», а «поясом Кларка» називають ділянку космічного простору на відстані 36000 км над рівнем моря в площині земного екватора, де параметри орбіт близькі до геостаціонарної.

 

Першим супутником, успішно виведеним на геостаціонарну орбіту, став Sincom-3, запущений НАСА 19 серпня 1964 року. На геостаціонарну орбіту його було виведено 11 вересня 1964 року.

 

В 1945 році письменник-фантаст Артур С. Кларк (Arthur S. Clarke) підрахував, що супутник, розташований на висоті 35 800 км на круговій екваторіальній орбіті, буде залишатися нерухомим відносно Землі. А виходить, стежити за ним буде набагато простіше (Clarke, 1945). Він розвив свою думку й описав цілу комунікаційну систему, що використає такі (пілотовані) геостаціонарних супутників.

З тих пір супутники зв'язку стали многомиллиардным бізнесом й єдиною прибутковою справою, пов'язаним з космічними технологіями. Про супутники, що обертаються на великій висоті, говорять, що вони розташовані на геостаціонарній орбіті (GEO, Geostationary Earth Orbit).

Сучасні технології такі, що розташування супутників частіше, ніж через кожні 2° в 360-градусній екваторіальній площині, є нераціональним. У противному випадку можлива інтерференція сигналів. Отже, якщо на кожні два градуси доводиться 1 супутник, то всього їх в екваторіальної плоскостиможно розмістити 360/2 = 180.

Сто вісімдесят супутників можуть одночасно перебувати в небі й обертатися в одній і тій же площині на одній і тій же висоті. Проте в кожного транспондера є можливість роботи на різних частотах і з різною поляризацією, що дозволяє збільшити максимальну пропускну здатність всієї системи.

Новим витком розвитку супутників зв'язку стало створення недорогих мініатюрних апертурних терміналів — VSAT (Very Small Aperture Terminal) (Abramson,2000). У цих невеликих станцій є антена діаметром усього 1 м (зрівняєте з 10-метровою антеною GEO), їхня вихідна потужність становить приблизно 1 Вт. Швидкість роботи в напрямку Земля - супутник звичайно становить 19,2 Кбит/з, зате зв'язок супутник - Земля можна підтримувати на швидкості 512 Кбит/з і вище. Супутникове широкомовне телебачення используетэту технологію для однобічної передачі сигналу.

Багатьом мікростанціям VSAT не вистачає потужності для того, щоб зв'язуватися один з одним (через супутник, розуміє). Для рішення цієї проблеми встановлюються спеціальні наземні концентратори з великою потужною антеною. Концентратор (хаб) розподіляє трафик між декількома VSAT, як показано на мал. 2.14. У такому режимі або приймач, або передавач обов'язково має більшу антену й потужний підсилювач. Недоліком такої системи є наявність затримок, достоїнством — низька ціна за повноцінну систему для кінцевого користувача.

Супутники зв'язку володіють рядом властивостей, які радикально відрізняють їх від будь-яких наземних систем зв'язку між абонентами. По-перше, незважаючи на гранично високу швидкість поширення сигналу (властиво, вона практично дорівнює швидкості світла - 300 000 км/с), відстані між наземними передавальними пристроями й супутниками такі, що в технології GEO затримки виявляються досить значними. Залежно від взаємного розташування користувача, наземної станції й супутника час передачі може становити 250-300 мс. Звичайно воно становить 270 мс (відповідно, у два рази більше - 540 мс - у системах VSAT, що працюють через хаб). Для порівняння, сигнал у наземних мікрохвильових системах зв'язку поширюється зі швидкістю приблизно 3 мкс/км, а коаксіальний кабель й оптоволокно мають затримку порядку 5 мкс/км. Різниця затримок тут порозумівається тим, що у твердих тілах сигнал поширюється повільніше, ніж у повітрі. Ще однією важливою властивістю супутників є те, що вони є винятково широкополосними засобом передачі даних. На відправлення повідомлення сотням абонентів, що перебувають у зоні сліду супутника, не затрачається ніяких додаткових ресурсів у порівнянні з відправленням повідомлення одному з них.

З іншого боку, з погляду захисту інформації й конфіденційності даних, супутники - це прямо-таки лихо: хто завгодно може прослуховувати абсолютно все. Тут на захист тих, кому важливий обмежений доступ до інформації, встає криптографія.

Супутники зв'язку володіють ще однією чудовою властивістю - незалежністю вартості передачі від відстані між вузлами. Дзвінок другові, що живе за океаном, коштує стільки ж, скільки дзвінок подружці, що живе в сусідньому будинку. Космічні телекомунікаційні технології, крім того, забезпечують дуже високий ступінь захисту від помилок і можуть бути розгорнуті на місцевості практично миттєво, що дуже важливо для військових.

Средневысотные супутники

На набагато більше низьких висотах, ніж геостаціонарні супутники, між двома поясами Ван Аллена, розташовуються средневысотные супутники (MEO, Medium Earth Orbite Satellites). Якщо дивитися на них із Землі, то буде помітно їх повільне дрейфування по небу. Средневысотные супутники роблять повний оборот навколо нашої планети приблизно за 6 годин. Відповідно, наземним приемопередатчикам необхідно стежити за їхнім переміщенням. Оскільки ці супутники перебувають набагато нижче, ніж геостаціонарні, Зате для зв'язку з ними потрібні менш потужні передавачі. Супутники МЕО не використаються в телекомунікаціях, тому надалі ми не будемо їх розглядати. Прикладами средневысотных супутників є 24 супутника системи

GPS (Global Positioning System, глобальна система визначення місцезнаходження), що обертаються навколо Землі на висоті близько 18 000 км.

GPS, Систе́ма глоба́льного позиціонува́ння (англ. Global Positioning System) — сукупність супутників, обладнаних радіочастотним приймально-передавальним обладнанням та запущених на замовлення військового відомства — Управління Оборони США, що використовуються для визначення розташування об'єкта на поверхні Землі під час наведення ракет на ціль та координації пересування підрозділів авіаційного, морського і наземного базування.

 

Військове відомство США дозволило цивільним користувачам використання системи з меншою точністю. Використовуючи GPS-приймач, можна точно визначити його позицію на поверхні Землі. На сьогодні окрім приймачів спеціального призначення випускаються прилади, вмонтовані в наручні годинники, сотові телефони, ручні радіостанції, за допомогою яких можна орієнтуватись на місцевості. Їх використовують альпіністи, рятівники, туристи.

 

Принцип дії

 

GPS приймач обчислює власне положення, вимірюючи час, коли було послано сигнал із GPS супутників. Кожен супутник постійно надсилає повідомлення, в якому міститься інформація про час відправки повідомлення, точку орбіти супутника, з якої було надіслано повідомлення (ефемеріс), та загальний стан системи і приблизні дані орбіт всіх інших супутників угрупування системи GPS(альманах). Ці сигнали розповсюджуються зі швидкістю світла у всесвіті, та із трохи меншою швидкістю через атмосферу. Приймач використовує час отримання повідомлення для обчислення відстані до супутника, виходячи з якої, шляхом застосування геометричних та тригонометричних рівнянь обчислюється положення приймача[1]. Отримані координати перетворюються в більш наочну форму, таку як широта та довгота, або положення на карті, та відображається користувачеві.

 

Оскільки для обчислення положення необхідно знати час з високою точністю, необхідно отримувати інформацію із 4-х або більше супутників задля усунення необхідності в надточному годиннику. Іншими словами, GPS приймач використовує чотири параметри для обчислення чотирьох невідомих: x, y, z та t.

 

В деяких окремих випадках може бути необхідною менша кількість супутників. Якщо заздалегідь відома одна змінна (наприклад, висота над рівнем моря човна в океані дорівнює 0), приймач може обчислити положення використовуючи дані з трьох супутників. Також, на практиці, приймачі використовують різну допоміжну інформацію для обчислення положення з меншою точністю в умовах відсутності чотирьох супутників.

 

Застосування GPS.

 

Не дивлячись на те, що спочатку проект GPS був направлений на військові цілі, сьогодні GPS все частіше використовують в цивільних цілях. GPS-приймачі продають в багатьох магазинах, які торгують електронікою, їх вбудовують в мобільні телефони, смартфони, КПК і онбордери. Споживачам також пропонуються різні пристрої і програмні продукти, що дозволяють бачити своє місцезнаходження на електронній карті; що мають можливість прокладати маршрути з урахуванням дорожніх знаків, дозволених поворотів і навіть заторів; шукати на карті конкретні будинки і вулиці, визначні пам'ятки, кафе, лікарні, автозаправки і інші об'єкти інфраструктури.

Геодезія: за допомогою GPS визначаються точні координати точок і межі земельних ділянок

Картографія: GPS використовується в цивільній і військовій картографії

Навігація: із застосуванням GPS здійснюється як морська так і дорожня навігація

Супутниковий моніторинг транспорту: за допомогою GPS ведеться моніторинг за положенням, швидкістю автомобілів, контроль за їх рухом

Стільниковий зв'язок: перші мобільні телефони з GPS з'явилися в 90-х роках. У деяких країнах, наприклад США це використовується для оперативного визначення місцезнаходження людини, що дзвонить 911. У Росії в 2010 році почата реалізація аналогічного проекту - Ера-глонасс.

Тектоніка, Тектоніка плит: за допомогою GPS ведуться спостереження рухів і коливань плит

Активний відпочинок: є різні ігри, де застосовується GPS, наприклад, Геокешинг і ін.

Геотегинг: інформація, наприклад фотографії "прив'язуються" до координат завдяки вбудованим або зовнішнім GPS-приймачам

[ред.]

Точність

 

Звичайна точність сучасних GPS-приймачів в горизонтальній плоскості складає приблизно 10-12 метрів при хорошій видимості супутників. На території США і Канади є станції WAAS, передавальні поправки для диференціального режиму, що дозволяє понизити погрішність до 1-2 метрів на території цих країн. При використанні складніших диференціальних режимів, точність визначення координат можна довести до 10 см.

[ред.]

Недоліки

 

Загальним недоліком використання будь-якої радіонавігаційної системи є те, що за певних умов сигнал може не доходити до приймача, або приходити із значними спотвореннями або затримками. Наприклад, практично неможливо визначити своє точне місцезнаходження в глибині квартири усередині залізобетонної будівлі, в підвалі або в тунелі. Оскільки робоча частота GPS лежить в дециметровому діапазоні радіохвиль, рівень прийому сигналу від супутників може серйозно погіршитись під щільним листям дерев або через дуже велику хмарність. Нормальному прийому сигналів GPS можуть пошкодити перешкоди від багатьох наземних радіоджерел, а також від магнітних бурь.

 

Невисокий нахил орбіт GPS (приблизно 55) серйозно погіршує точність в приполярних районах Землі, оскільки супутники GPS невисоко піднімаються над горизонтом.

Низкоорбитальные супутники

Знизимо висоту ще більше й перейдемо до розгляду низкоорбитальных супутників (LEO, Low-Earth Orbite Satellites). Для того щоб створити цілісну систему, що охоплює вся земна куля, потрібно велике кількість таких супутників. Причиною тому є, насамперед, висока швидкість їхнього руху по орбіті. З іншого боку, завдяки відносно невеликій відстані між наземними передавачами й супутниками не потрібно особливо потужних наземних передавачів, а затримки становлять усього лише кілька миллисекунд. У цьому розділі ми розглянемо три приклади супутників LEO, два з яких стосуються до голосового зв'язку, а один - до служб Інтернету.

«Иридиум» (англ. Iridium, від панцира. Iridium — іридій) — всесвітній оператор супутникового телефонного зв'язку. Покриття становить 100 % поверхні Землі, включаючи обидва полюси. Однойменне орбітальне угруповання нараховує 66 супутників, розташованих на орбітах з нахиленням 86,5° і висотою 780 км.

 

Своя назва система одержала у зв'язку з тим, що спочатку планувалося створити угруповання з 77 супутників. Це число дорівнює атомному номеру іридію.

 

Iridium нараховувала близько 400 000 абонентів, у число яких увійшли співробітники великих світових корпорацій, що працюють у сфері видобутку корисних копалин, морського, наземного й повітряного транспорту, будівництва, туризму, інших галузях і службах порятунку й екстреної допомоги. Одним з найбільших користувачів мережі також є уряд США.

 

Комерційні продукти й сервисы Iridium приносять порядку 80 % виторгу компанії й надаються в більш ніж 100 країнах дистриб'юторською мережею, у яку входить більше 60 постачальників послуг, й 45 виробників устаткування й ПО. Iridium Communications робить і продає різні пристрої для голосового зв'язку й високошвидкісної передачі даних у мережі Iridium, включаючи флагманські моделі супутникових телефонів

Iridium 9505A й Iridium 9555, модеми Iridium 9522A й Iridium 9522B і пристрою автоматичного обміну даними (M2M) Iridium 9601 й Iridium 9602. Також в 2008 році компанія оголосила про початок комерційної експлуатації й продажів терміналів системи Iridium OpenPort, що забезпечує високошвидкісну передачу даних і повноцінний телефонний зв'язок для морського транспорту".

Цікавою властивістю Iridium є те, що ця система забезпечує пересилання даних між дуже вддаленими друг від друга абонентами шляхом передачі сигналу по ланцюжку від одного супутника до іншого. Уявіть собі двох чоловік, один із яких на Північному полюсі, іншої - на Південному. Вони можуть спокійно розмовляти один з одним, при цьому дані будуть передаватися по намисту із супутників.

 

Globalstar

Альтернативою проекту Iridium є система Globalstar. Він побудований на 48 низкоорбитальных супутниках, але має схему ретрансляції сигналів. Якщо в Iridium як маршрутизатори використаються самі супутники, що передають по ланцюжку сигнал (що вимагає наявності на них досить складного встаткування), то в Globalstar застосовується звичайний принцип вузької труби.

Перевагою такої схеми є те, що найбільш складне встаткування встановлюється на поверхні Землі, а тут працювати з ним набагато простіше, ніж на орбіті. До того ж використання потужних наземних антен дозволяє приймати слабкий сигнал із супутника; виходить, можна зменшити потребную потужність телефонів. У результаті телефони передають сигнали з потужністю всього кілька міліват, і наземні антени одержують дуже слабкий сигнал навіть після його посилення супутником. Проте такої потужності вистачає для нормальної роботи.

Історія

 

Проект «Глобалстар» був запущений в 1991 році як спільне підприємство корпорацій Loral і Qualcomm. 24 березня 1994 року, два спонсори оголосили про формування ТОО «Глобалстар», створеному в США, з фінансовою участю восьми інших компаній, у тому числі Alcatel, AirTouch, Deutsche Aerospace, Hyundai й Vodafone. У той час, компанія припускала, що система почне функціонувати в 1998 році, завдяки інвестиціям у розмірі 1,8 млрд доларів.

 

Наприкінці 2007 року дочірня компанія ТОВ «Globalstar SPOT» запустила портативний обмін супутниковими повідомленнями й відстеження особистих пристроїв безпеки, відоме як «SPOT Satellite Messenger». Багато хто з наземних і морських галузей використають різні товари й послуги «Глобалстар» у віддалених районах за межами досяжності стільникового й фіксованого телефонного зв'язку.

 

Глобальні споживчі сегменти містять у собі: нафта й газ, уряд, гірничодобувна промисловість, лісове господарство, промислове рибальство, комунальні послуги, військові послуги, транспорт, важка артилерія, готовність до надзвичайних ситуацій, і безперервності бізнесу, а також окремої розважальної послуги.

Teledesic

Teledesic - призначений для користувачів Інтернету по усім світі, яким потрібно висока пропускна здатність каналу. Хресними батьками цієї системи в 1990 році стали Крейг Маккоу (Craig McCaw), піонер мобільного зв'язку, і Білл Гейтс (Bill Gates), всесвітньо відомий засновник фірми Microsoft, - він був дуже незадоволений улиточной швидкістю, з якої телефонні компанії надавали нібито високу пропускну здатність.

Метою Teledesic було забезпечити мільйони користувачів Інтернету супутниковим каналом зв'язку зі швидкістю 100 Мбит/з і передачею даних у напрямку супутник - Земля зі швидкістю до 720 Мбит/с. Для цього потрібна невелика стаціонарна антена типу VSAT, повністю незалежна від телефонної системи. Зрозуміло, що телефонним операторам така система невигідна. При здоровій ринковій економіці це повинне приводити до здорової конкуренції.

Споконвічно система припускала розміщення на низковысотній орбіті 288 супутників на поверхні Землі, розташованих в 12 площинах прямо під нижнім поясом Ван Аллена, на висоті 1350 км. Пізніше було вирішено змінити схему, і стало 30 супутників зі збільшеним слідом на поверхні. Передача повинна здійснюватися у високочастотному й ще не переповненому діапазоні із широкою смугою - Ка. Teledesic являє собою космічну систему з комутацією пакетів, при цьому кожен супутник є маршрутизатором і може пересилати дані на сусідні супутники. Коли користувач запитує смугу для передачі даних, вона надається йому динамічно на 50 мс. Систему передбачається запустити в 2005 році.