23 апреля 1965 года был запущен на высокую эллиптическую орбиту первый отечественный спутник связи "Молния-1", который ознаменовал становление в нашей стране спутниковой радиосвязи. Почти одновременно в США был запущен на геостационарную орбиту первый спутник коммерческой связи Intelsat-1.
Таким образом, была реализована заманчивая идея резкого увеличения дальности радиосвязи благодаря размещению ретранслятора высоко над поверхностью Земли, что позволило обеспечить одновременную радиовидимость расположенных в разных точках обширной территории радиостанций. Преимуществами систем спутниковой связи (СС) являются большая пропускная способность, глобальность действия и высокое качество связи.
Конфигурация систем СС зависит от типа искусственного спутника Земли (ИСЗ), вида связи и параметров земных станций. Для построения систем СС используются в основном три разновидности ИСЗ (Рис. 6.67) - на высокой эллиптической орбите (ВЭО), геостационарной орбите (ГСО) и низковысотной орбите (НВО). Каждый тип ИСЗ имеет свои преимущества и недостатки.
Рис. 6.67. Виды орбит ИСЗ
Примером ИСЗ с ВЭО могут служить отечественные спутники типа "Молния" с периодом обращения 12 часов, наклонением 63°, высотой апогея над северным полушарием 40 тысяч км. Движение ИСЗ в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6..8 ч. Преимуществом данного типа ИСЗ является большой размер зоны обслуживания при охвате большей части северного полушария. Недостатком ВЭО является необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий.
Уникальной орбитой является ГСО - круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, лежащая в плоскости экватора, с высотой 35875 км от поверхности Земли. Орбита синхронна с вращением Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Достоинства ГСО: зона обслуживания составляет около трети земной поверхности, трех спутников достаточно для почти глобальной связи, антенны земных станций практически не требуют систем слежения. Однако в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях.
" Низколеты " запускаются на круговые орбиты, плоскость которых наклонена к плоскости экватора (полярные и квазиполярные орбиты) с высотой порядка 200..2000 км над поверхностью Земли. Запуск легкого ИСЗ на низкую орбиту может быть осуществлен с помощью недорогих пусковых установок. Однако скорость перемещения ИСЗ относительно поверхности Земли достаточно велика, в результате длительность сеанса от восхода спутника до его захода не превышает несколько десятков минут.
Диапазоны рабочих частот систем СС регламентированы МСЭ-Р, различны для участков Земля-ИСЗ и ИСЗ-Земля и лежат в пределах 2..40 ГГц.
Для систем СС существуют некоторые особенности передачи сигналов:
· запаздывание сигналов - для геостационарной орбиты около 250 мс в одном направлении. Является одной из причин появления эхосигналов при телефонных переговорах;
· эффект Доплера - изменение частоты сигнала, принимаемого с движущегося источника. Для скоростей много меньших скорости света vr/c<<1 изменение частоты составляет f=f0/(1± vr/c). Наиболее сильно эффект Доплера проявляется для ИСЗ, использующих негеостационарные орбиты.
В зависимости от назначения системы СС и типа земных станций регламентом МСЭ различаются следующие службы:
· фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также распределения телевизионных программ;
· подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями, размещаемыми на транспортных средствах (самолетах, морских судах, автомобилях и пр.);
· радиовещательная спутниковая служба для непосредственной передачи радио и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у абонентов.
Фиксированная спутниковая служба (ФСС). На начальном этапе развития ФСС развивалась в направлении создания систем магистральной связи с применением крупных земных станций с диаметрами зеркала антенн порядка 12..30 м. В настоящее время функционирует около 50 систем ФСС. В качестве примеров можно отметить отечественные системы СС "Молния-3", "Радуга", "Горизонт" и международные системы Intelsat и Eutelsat. Развитие ФСС идет по направлениям увеличения срока службы ИСЗ, повышения точности удержания ИСЗ на орбите, разработки и совершенствования многолучевых антенн, а также возможности работы на антенны земных станций малого диаметра (1,2..2,4 м) (системы VSAT).
Подвижная спутниковая служба (ПСС). В силу международного характера работы транспорта для его управления создаются международные системы глобальной спутниковой связи, например, система морской спутниковой связи Inmarsat, которая введена в действие в 1982 году. Функционально она содержит геостационарные спутники, расположенные над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами; береговые станции, установленные на различных континентах, и разветвленную сеть судовых станций различных стандартов. В настоящее время системой Inmarsat пользуется около 15 тысяч судов. В рамках организации Inmarsat решается проблема создания системы авиационной спутниковой связи.
Успехи в космических технологиях последних лет, а также достижения в микроэлектронике, появление эффективных алгоритмов параметрического компандирования речевых сигналов (см. подраздел 8.2.5), разработка лазерных линий межспутниковой связи вызвали большой интерес к использованию легких низколетящих ИСЗ для ПСС. Поддержание большой (десятки аппаратов) группировки ИСЗ на НВО для обеспечения непрерывности связи оказывается экономически целесообразно, во-первых, ввиду упоминавшейся выше относительно малой стоимости вывода спутника на НВО и, во-вторых, в связи возможностью создания систем с малогабаритными абонентскими станциями, имеющими изотропные антенны. Ожидается, что к 2000 году будет запущено около 3000 таких ИСЗ.
Различают два типа СС с НВО. В наиболее простых из них пакеты информации передаются через ИСЗ-ретранслятор непосредственно или с задержкой на время пролета по трассе. Второй тип систем обеспечивает непрерывную связь. Зоны радиовидимости отдельных ИСЗ объединяются в единое информационное пространство.
Примером такой системы служит международный проект Iridium, возглавляемый фирмой Motorola. Система базируется на 66 легких (масса 689 кг) ИСЗ, равномерно размещенных на 6 полярных орбитах (по 11 ИСЗ на каждой орбите) высотой 780 км, плоскости которых разнесены на 30°, но совпадают по фазам движения. Каждый ИСЗ связан с четырьмя соседними. Ретранслятор работает на многолучевую антенну с числом лучей 48, что позволяет организовать в системе 2100 активных лучей одновременно, т.е. создать сотовую зону обслуживания на всей поверхности Земли.
В системе принят многостанционный доступ с частотно-временным разделением каналов, для межспутниковых линий и станций сопряжения предусматривается диапазон частот "K" 19..29 ГГц, для абонентских линий "Земля-ИСЗ" и "ИСЗ-Земля" - использование двух полос в диапазоне частот "L" 1610..1626,5 МГц. Система Iridium сможет охватить связью до 1,5 млн. абонентов. Начало коммерческой эксплуатации системы планируется в 1998 году. Планируется применение двухрежимных абонентских терминалов: режим Iridium и режим одного из стандартов сотовой подвижной связи (например, GSM). При нахождении абонента в зоне обслуживания системы сотовой связи, он обслуживается данной системой. Когда абонент покидает зону обслуживания системы сотовой связи, автоматически происходит его переключение на обслуживание системой СС Iridium.
Радиовещательная спутниковая служба (РСС). РСС реализует одно из основных направлений развития телекоммуникаций - персонализацию, т.е. телевизионные программы принимаются непосредственно на индивидуальные приемники абонентов. МСЭ утвердил международный план спутникового ТВ вещания в диапазоне 12 ГГц (НТВ-12). В планах зафиксированы точки стояния ИСЗ на ГСО, номера частотных каналов, параметры бортовой передающей аппаратуры. Для спутников бывшего СССР выделены пять точек стояния: 23°, 44°, 74°, 110° и 140° восточной долготы. Следует отметить, что из-за исторически сложившегося развития технических средств, для непосредственного телевидения применяется также диапазон 11 ГГц, выделенный для ФСС.
К 1992 году для НТВ-12 в мире использовалось более 80 спутников, среди которых TV-SAT-1, TV-SAT-2, TDF-1, TDF-2, TELE-X и др.
Для широкого внедрения НТВ необходимы многопрограммные спутники с нескольким десятком программ с тем, чтобы с приобретением сравнительно дорогого приемного оборудования абонент (зритель) смог бы резко увеличить свой телевизионный выбор. В этой связи являются актуальными работы в области цифрового сжатия телевизионных изображений, позволяющего передавать в одном частотном стволе до 6..10 программ одновременно.