Наземное радио. Распространение телефонного обслуживания на другие страны и континенты было целью с самых первых дней появления телефонных систем. В Северной Америке расширение обслуживания на Канаду и Мексику было естественным распространением методов дальней передачи, использованных в пределах Соединенных Штатов, но передача в Европе потребовала существенной изобретательности.
Хотя трансатлантические телеграфные кабели находились в эксплуатации с 1866 г., вследствие ограничений ширины полосы частот они не могли использоваться для телефонной связи. Вместо этого первая трансатлантическая телефонная служба использовала радио. Регулярное обслуживание по радио между Соединенными Штатами и Европой было впервые установлено в 1927 г., используя длинноволновые частоты в диапазоне от 58.5 до 61,5 килогерц. В течение первого года эта система обеспечила 11 000 запросов. В 1929 г. были добавлены дополнительные каналы в диапазоне 6...25 мегагерц.
Подводный кабель. Вскоре было понято, что число трансатлантических телефонных звонков будет быстро превышать располагаемый спектр радиочастот. Соответственно, была разработана трансокеанская кабельная технология, которая использовала усилители или ретрансляторы, размещенные равномерно вдоль кабеля.
Впервые прокладка подводных кабелей была выполнена в 1921 г., кабелем в 184 километра длиной между Кубой и Key West, FI. Первый трансатлантический кабель был проложен в 1956 г. между Clarenville в Ньюфаундленде и Oban в Шотландии - расстояние 3,584 километров.
Эта система имела два коаксиальных кабеля, по одному для каждого направления, и использовала аналоговое частотное уплотнение каналов, чтобы обеспечить 36 двусторонних телефонных разговоров. В связи с доступностью кабельной системы, трансатлантическая телефонная нагрузка увеличилась драматично с 1,7 миллиона вызовов в 1955 г. до 3,7 млн в 1960г. Шесть дополнительных коаксиальных кабелей, представляющих четыре поочередных поколения конструкции кабеля, были проложены через Атлантический океан между 1956 и 1983 годами. Каждое новое поколение кабельной системы поддерживало все большее число телефонных линий - последнее имеет 4,200.
Чтобы увеличить емкость телефонных каналов трансокеанских кабелей, был введен метод сжатия голосовых данных, известный как интерполяция во времени речевых сигналов (time assignment speech interpolation - TASI). В TASI естественные паузы, встречающиеся в речи, используются для передачи других речевых сообщений. Таким образом, трансатлантическая кабельная система, разработанная для поддержки 4200 двусторонних телефонных цепей, смогла фактически поддерживать 10500 цепей. Дополнительная трансатлантическая емкость стала доступной в 1988 г. в связи с инсталляцией подводного волоконно-оптического кабеля, который мог поддерживать 8 000 цифровых телефонных цепей, или до 40 000 с цифровой версией TASI.
Спутниковая связь
Примерно в то же самое время, когда устанавливались трансатлантические кабели, исследовался другой метод передачи - спутниковая связ ь. В 1962 г. AT&T совместно с Национальным управлением по аэронавтике и космонавтике (НАСА) запускают искусственный спутник связи Telstar на эллиптическую околоземную орбиту.
Telstar -1 служил ретранслятором в небе; то есть он просто транслировал все принимаемые частоты в пределах его полосы частот в диапазоне 6-гигагерц и передавал все частоты с той же полосой в диапазоне 4-гигагерц. 32-мегагерцовая полоса частот передачи Telstar - 1 могла поддерживать один одноканальный телесигнал или множество двухканальных телефонных разговоров.
Из-за его низкой орбиты Telstar был не всегда виден наземным станциям связи. Эта проблема была решена виюле 1963 г. с запуском первого геостационарного искусственного спутника связи, Syncom 2. Вслед за Syncom 2 последовала серия геостационарных спутников, каждый из которых обеспечивал емкость больше, чем предыдущее поколение.
Таким образом, основная идея создания систем спутниковой связи проста: промежуточный ретранслятор системы связи размещается на искусственном спутнике Земли (ИСЗ). Спутник движется по достаточно высокой орбите длительное время без затрат энергии на это движение. Энергоснабжение бортового ретранслятора и других систем спутника осуществляется от солнечных батарей.
На достаточно высокой орбите ИСЗ «видит» очень большую территорию - около одной трети поверхности Земли, поэтому через его бортовой ретранслятор могут непосредственно связаться любые станции, находящиеся на этой территории. Трех ИСЗ может быть достаточно для создания почти глобальной системы связи.
По изложенным причинам спутниковая связь, начавшая свое развитие в середине 60-х гг. с появлением советского спутника «Молния» и американского «Телстар» быстро развивается во всем мире. Создано большое число систем спутниковой связи и вещания, разделенных по функциям, обслуживаемой зоне, составу, емкости.
В зависимости от вида передаваемой информации различают универсальные многофункциональные системы, ЗС которых обмениваются различными видами информации (таковы Intelsat, «Орбита», ССС Канады Teiesat и др.), и специализированные - для передачи одного вида или нескольких однородных видов информации (например, системы спутникового вещания «Экран», НТВ-Плюс для циркулярного распределения телевизионного и звукового вещания).
По охватываемой территории, размещению и принадлежности ЗС, структуре управления ССС можно подразделить на:
- международные, в состав которых входят станции различных стран; такие системы могут быть глобальными (со всемирным охватом), как «Интерспутник», intelsat, либо региональными, как Evtelsat, Arabsat;
- национальные, все ЗС которой расположены в пределах одной страны, в том числе зоновые, все ЗС которой расположены в пределах одной из зон (районов) страны;
- ведомственные (деловые, фирменные) системы.; ЗС которых принадлежат одному ведомству (организации, фирме) и передают только деловую информацию и данные в интересах ведомства.
В состав любой ССС, несмотря на их различие, входит несколько одинаковых по назначению элементов:
- космические станции (КС), представляющие собой ретрансляционное (приемопередающее) устройство, размещенное на искусственном спутнике Земли, с антеннами для приема и передачи радиосигналов и системами обеспечения: источниками энергоснабжения, системами ориентации антенн (на Землю) и солнечных батарей (на Солнце), системами коррекции положения ИСЗ на орбите, терморегулирования и т.д.;
- земные станции (ЗС) различного типа.
Орбиты
Геостационарная.
Достоинства геостационарных ИСЗ для систем связи:
- непрерывная, круглосуточная связь, без переходов с одного (заходящего) ИСЗ на другой;
- на антеннах ЗС можно упростить или исключить системы автоматического сопровождения ИСЗ;
- более стабильно ослабление сигнала на трассе между земной и космической станцией.
Зона видимости около 1/3 поверхности Земли. Трёх геостационарных ИСЗ достаточно для создания практически глобальной системы связи.
Большинство существующих ССС 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). В действительности положение геостационарного спутника на орбите не является неизменным: он испытывает незначительный «дрейф» под воздействием ряда факторов, вызывающих деградацию орбиты. При этом изменение положения орбиты за год может достигать 0,92°. Основными параметрами, определяющими угловой разнос между соседними спутниками, являются пространственная избирательность бортовых и наземных антенн, а также точность удержания спутника на орбите.
Бурное развитие спутниковой связи, особенно в последнее десятилетие, привело к тому, что на геостационарной орбите стало очень «тесно» и возникли проблемы с размещением новых спутников. Дело в том, что в соответствии с существующими международными нормами орбитальный разнос между геостационарными КА должен составлять не менее 1°. Это означает, что на орбите можно разместить не более 360 спутников. Что же касается сокращения углового разноса между точками стояния ступника на орбите, то на современном уровне развития техники это невозможно из-за взаимных помех.
Средневысотные.
В последнее время возрос интерес к использованию для связи спутников на низких и отчасти средних орбитах. Главная причина этого интереса - меньшее затухание сигналов на трассе Земля-спутник, что позволяет создать принципиально новый тип систем спутниковой связи - системы подвижной персональной связи с терминалом размером с обычную телефонную трубку.
Высота несущих орбит обычно составляет не более 1000 км (чаще всего 700 км), поскольку выше располагается полоса повышенной радиации, причиняющая вред элементам спутника. Иногда применяют орбиты высотой 1400...1500 км, а в системе ICO планируется применять орбиты средней высоты, порядка 10 тыс. км.
Очевидно, что с ростом высоты орбиты увеличивается зона видимости, поэтому, можно уменьшить необходимое число спутников, однако возрастает ослабление радиосигналов и для компенсации этого требуется увеличить размер антенн и мощность передатчиков. Средневысотные системы обеспечивают более качественные характеристики обслуживания подвижных абонентов, чем геостационарные, поскольку в поле зрения абонента одновременно находится большое число спутника. За счет этого появляется возможность увеличить минимальные углы видимости спутника до 25-30°.
Суммарная задержка сигнала при связи через средневысотные спутники составляет не более 130 мс, что позволяет использовать их для радиотелефонной связи.
Таким образом, средневысотные спутники выигрывают у геостационарных по энергетическим показателям, но проигрывают им по продолжительности пребывания спутника в зоне радиовидимости наземных станций (1,5-2 ч).
Низкие круговые.
Чтобы с помощью спутников на низких орбитах добиться непрерывной связи в реальном масштабе времени, необходимо вывести целое «созвездие» спутников, сменяющих друг друга в необходимом районе, а это значит (учитывая сравнительно медленное суточное вращение Земли), что спутники надо вывести на несколько полярных орбит, плоскости которых смещены (то есть орбиты имеют различную долготу восходящего угла).
Так, в создаваемой системе «Иридиум» планируется вывести спутники на 11 орбит по 6 спутников на каждой орбите. Очевидно, что при этом одновременно с непрерывностью связи для каждой точки земной поверхности достигается глобальное покрытие всей Земли. Поэтому системы связи на низких спутниках обычно проектируются как глобальные.
В зависимости от величины наклонения плоскости орбиты относительно плоскости экватора различают: низкие экваториальные (наклонение 0°), полярные (наклонение 90°) и наклонные орбит ы.
Системы с низкими наклонными и полярными орбитами существуют уже около 30 лет и применяются в основном для научно-исследовательских целей, дистанционного зондирования, навигации, метеорологических наблюдений, фотографирования поверхности Земли. Для организации мобильной и персональной связи эти системы стали использоваться только в последние 5-7 лет.
Спутники на низких "орбитах обладают значительными преимуществами перед другими по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности сеансов связи и времени активного существования спутника. 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.
Однако, чем меньше высота орбиты, тем меньше мгновенная зона обслуживания, а следовательно, для глобального охвата требуется значительно большее количество спутников.
Эллиптические.
Основными параметрами, характеризующими тип эллиптической орбиты, являются период обращения спутника вокруг Земли и эксцентриситет (показатель эллиптичности орбиты). В настоящее время используются несколько типов эллиптических орбит с большим эксцентриситетом - Borealis, Archimedes, «Молния», «Тундра». Все указанные орбиты являются синхронными, т.е. спутник, выведенный на такую орбиту, вращается со скоростью Земли и имеет период обращения, кратный времени суток.
