сследование спутниковых систем. Первые исследования в области гражданской спутниковой связи в западных странах начали появляться во второй половине 50х годов xx века
 Скачать 1.02 Mb.
|
|
Введение В 1945 г в статье «Внеземные ретрансляторы», опубликованной в октябрьском номере журнала «wirelessworld» английский учёный, писатель и изобретатель Артур Кларк предложил идею создания системы спутников связи на геостационарных орбитах, которые позволили бы организовать глобальную систему связи. Впоследствии Кларк на вопрос, почему он не запатентовал изобретение (что было вполне возможно), отвечал, что не верил в возможность реализации подобной системы при своей жизни, а также считал, что подобная идея должна приносить пользу всему человечеству. Первые исследования в области гражданской спутниковой связи в западных странах начали появляться во второй половине 50-х годов XX века. В США толчком к ним послужили возросшие потребности в трансатлантической телефонной связи. 12 августа 1960 года специалистами США был выведен на орбиту высотой 1500 км надувной шар Этот космический аппарат назывался «Эхо-1». Его металлизированная оболочка диаметром 30 м выполняла функции пассивного ретранслятора.Инженеры работают над первым в мире коммерческим спутником связи EarlyBird. 20 августа 1964 года 11 стран (СССР в их число не вошёл) подписали соглашение о создании международной организации спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite organization). В СССР к тому времени была собственная развитая программа спутниковой связи, увенчавшаяся 23 апреля 1965 года успешным запуском связного советского спутника Молния-1. В рамках программы Intelsat первый коммерческий спутник связи EarlyBird (англ.) («ранняя пташка»), произведенный корпорацией COMSAT, был запущен 6 апреля 1965 год. По сегодняшним меркам спутник EarlyBird (INTELSAT I) обладал более чем скромными возможностями: обладая полосой пропускания 50 МГц, он мог обеспечивать до 240 телефонных каналов связи. В каждый конкретный момент времени связь могла осуществляться между земной станцией в США и только одной из трёх земных станций в Европе (в Великобритании, Франции или Германии), которые были соединены между собой кабельными линиями связи. В дальнейшем технология шагнула вперед, и спутник INTELSAT IX уже обладал полосой пропускания 3456 МГц. В СССР долгое время спутниковая связь развивались только в интересах Министерства Обороны СССР. В силу большей закрытости космической программы развитие спутниковой связи в социалистических странах шло иначе чем в западных странах. Развитие гражданской спутниковой связи началось соглашением между 9 странами социалистического блока о создании системы связи «Интерспутник» которое было подписано только в 1971 году. Пассивный спутник связи Echo-2. Металлизированная надувная сфера выполняла функции. Одной из наиболее заметных тенденций в развитии телефонии в последнее десятилетие является быстрый рост числа абонентов сотовой связи. За 26 лет, прошедших от момента зарождения идеи до настоящего времени, число абонентов, пользующихся услугами сотовых систем, достигло 200 млн, а к 2001-2002 годам оно увеличится до 500-600 миллионов. Однако возможность эффективного построения наземных сотовых систем существует далеко не везде, и альтернативным вариантом — особенно для предоставления телекоммуникационных услуг в труднодоступных и малонаселенных районах — является применение спутниковых систем персональной связи (ССПС). Идея построения ССПС состоит в использовании методов сотовой связи, но с размещением ретрансляторов базовых станций в космическом пространстве. В результате зона обслуживания одной станции многократно увеличивается, и появляется возможность создания на базе искусственных спутников Земли (ИСЗ) глобальной системы, обеспечивающей пользователя связью в любой точке планеты. Сочетание наземных и спутниковых систем персональной связи и их интеграция обеспечат возможность приема и передачи речи, данных и факсимильных сообщений в любом регионе Земли с приемлемым уровнем цен на предоставляемые услуги пассивного ретранслятора. Особенностью большинства систем подвижной спутниковой связи является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала. Для того, чтобы мощность сигнала, достигающего приемника, была достаточной, применяют одно из двух решений: Спутники располагаются на геостационарной орбите. Поскольку эта орбита удалена от Земли на расстояние 35786 км, на спутник требуется установить мощный передатчик. Этот подход используется системой Inmarsat (основной задачей которой является предоставление услуг связи морским судам) и некоторыми региональными операторами персональной спутниковой связи (например, Thuraya). Множество спутников располагается на наклонных или полярных орбитах. При этом требуемая мощность передатчика не так высока, и стоимость вывода спутника на орбиту ниже. Однако такой подход требует не только большого числа спутников, но и разветвленной сети наземных коммутаторов. Подобный метод используется операторами Iridium и Globalstar. С операторами персональной спутниковой связи конкурируют операторы сотовой связи. Характерно, что как Globalstar, так и Iridium испытывали серьёзные финансовые затруднения, которые довели Iridium до реорганизационного банкротства в 1999 г. В декабре 2006 года был запущен экспериментальный геостационарный спутник Кику-8 с рекордно большой площадью антенны, который предполагается использовать для отработки технологии работы спутниковой связи с мобильными устройствами, не превышающими по размерам сотовые телефоны. Назначение спутниковых систем персональной связи Основным назначением систем является обеспечение связью зон вне покрытия наземными сетями GSM, предоставление связной среды для российской системы координатно-временного обеспечение ГЛОНАСС и связь со стационарными и мобильными абонентами, находящимися в труднодоступных регионах. Реализована передача пакетированных данных/сообщений как между абонентами системы, так и с абонентами сетей общего пользования. Оборудование и программное обеспечение космических аппаратов и абонентских терминалов (АТ) спроектировано таким образом, что для работы системы не требуется непрерывное нахождение абонентов в зоне радиовидимости космического аппарата (КА). При отсутствии совместной зоны радиовидимости АТ и КА сообщение буферизуется и передаётся при пролёте одного из КА системы над абонентом. В данное время на базе в спутниковых системах персональной связи реализованы следующие услуги: обмен сообщениями между абонентами системы в глобальном масштабе; передача данных о местоположении объектов, полученных с использованием системы ГЛОНАСС обмен сообщениями между абонентами системы и абонентами внешних сетей в глобальном масштабе; циркулярная передача сообщений группе пользователей; передача телеметрической (датчиковой) информации контролируемых объектов в центры мониторинга; построение ведомственных подсистем связи. Низкая орбита в отличие от геостационарной (1,4 против 40 тыс. км) требует менее мощного передатчика, что позволяет выпускать компактные и недорогие терминалы даже по сравнению с VSAT. Абонентские терминалы системы выпускаются в стационарном, носимом и мобильном вариантах исполнения. Размеры терминалов и антенн компактны и пригодны для эксплуатации на различных видах объектов, а также для персонального пользования. Например, размеры терминала модификации «Мобильный обслуживаемый» составляют 12х7,5х2,5 см.Данные передаются в системе как без задействования наземного сегмента (точка-точка: абонент-КА-абонент), так и с задействованием региональных станций (абонент-КА-региональная станция). Региональные станции обеспечивают маршрутизацию сообщений, а также информационный обмен абонентов с сетью Интернет. При нахождении передающего и принимающего терминалов в зоне радиовидимости одного КА время доставки сообщения составляет 1-2 минуты. 2. Типы спутниковых систем персональной связи. Сети персональной спутниковой связи (СПСС) обладают рядом преимуществ по сравнению с рассмотренными ранее сетями подвижной связи. Например, если пользователь находится за пределами зоны обслуживания местных сотовых систем, спутниковая связь играет ключевую роль, поскольку она не имеет ограничений по привязке к конкретной местности. Во многих регионах спрос на услуги подвижной связи может быть удовлетворен только с помощью спутниковых систем. В зависимости от вида предоставляемых услуг систем спутниковой связи можно разделить на три основных класса: речевой (радиотелефонной) связи; пакетной передачи данных; определения местоположения (координат) абонентов. При радиотелефонной связи в системах спутниковой связи используют цифровую передачу сообщений, при этом обязательно должны выполняться международные стандарты! В таких системах задержка сигнала на трассе распространения не должна превышать 0,1 с и переговоры абонентов не должны прерываться во время сеанса связи. Обслуживание абонентов должно быть непрерывным и происходить в РМВ. В этом случае при построении радиотелефонной спутниковой сети необходимо учитывать следующие требования: спутники должны оснащаться высокоточной системой ориентации для удержания луча их антенны в заданном направлении; количество спутников в системе должно быть достаточным для обеспечения сплошного и непрерывного покрытия зоны обслуживания; для обеспечения достаточного количества каналов связи должны применяться многолучевые антенные системы, работающие на высо¬ких частотах (более 1,5 ГГц), что значительно усложняет конструкцию антенн и космических аппаратов (КА); для обеспечения непрерывности радиотелефонной связи через спутник, оснащенный многолучевыми антенными системами, требуется большое количество узловых (шлюзовых) станций (ШС) с дорогим коммуникационным оборудованием. Системы пакетной передачи данных предназначены для передачи в цифровом виде любых данных (телексных, факсимильных сообщений, компьютерных данных и т.п.). Скорость передачи данных в космических системах связи составляет от единиц до сотен килобайт в секунду. В этих системах, как правило, не предъявляется жестких требований к опера¬тивности доставки сообщений. В таком режиме работает «электронная почта» (поступившая информация запоминается бортовым компьютером и доставляется корреспонденту в заранее определенное время суток). Для определения местоположения абонента применяется стандартная навигационная аппаратура GPS систем ГЛОНАСС/НАВСТАР, которая обеспечивает очень высокую точность определения координат потребителя и специальная навигационная аппаратура, которая по сигналам спутников персональной связи и/или шлюзовых станций позволяет определять координаты абонента, но с меньшей точностью. Используя аппаратуру второго типа, можно определять координаты абонента по сигналам 4-х спутников персональной связи, шлюзовых станций, спутников и шлюзовых станций. Значительный прогресс в развитии сетей персональной спутниковой связи достигнут благодаря внедрению новых технических решений, ключевыми из которых можно считать: обработку сигнала на борту спутника-ретранслятора, создание перспективных сетевых протоколов обмена информацией и применение недорогих портативных пользовательских терминалов с малым энергопотреблением. В зависимости от назначения спутниковых сетей связи могут быть военными, гражданскими государственными (например, системы телевизионного вещания) или коммерческими; стационарными (фиксированными) или подвижными; связь может осуществляться в РВ или с задержкой (например, с накоплением и последующим «сбросом» информации). В космических системах, решающих задачи персональной связи, используются спутники, которые могут находиться на различных орбитах. В настоящее время для решения задач персональной радиосвязи применяют следующие типы спутников: -высокоорбитальные, или геостационарные (GEO) — с круговыми экваториальными орбитами высотой около 40 тыс. км; при этом период обращения спутника вокруг Земли равен 24 ч, т.е. спутник оказывается неподвижным относительно Земли: он постоянно «висит» над одной и той же точкой экватора; - среднеорбитальные (МЕО) — с круговыми орбитами высотой порядка 10 тыс. км; - низкоорбитальные (LEO) — с круговыми орбитами высотой 700—1500 км. Высота орбит спутников выбирается на основании анализа многих факторов, включая энергетические характеристики радиолиний, задержку при распространении радиоволн, размеры и расположение обслуживаемых территорий, способ организации связи и требования по обеспечению необходимого значения угла места спутника. Спутник, находящийся на низкой орбите, попадает в зону прямой видимости абонента лишь на 8—12 мин. Значит, для обеспечения непрерывной связи любого абонента потребуется большое число спутников, которые последовательно (при помощи шлюзовых станций или межспутниковой связи) должны обеспечивать непрерывную связь. С увеличением высоты орбиты спутника зона прямой видимости спутника-ретранслятора и абонента увеличивается, что приводит к уменьшению количества спутников, необходимого для обеспечения непрерывной связи. Таким образом, с увеличением высоты орбиты увеличиваются время и размеры зоны обслуживания и, следовательно, требуется меньшее число спутников для охвата одной и той же территории. 2.1. Низкообрбитальные системы спутниковой связи. Одним из направлений развития спутниковых систем связи с начала 90-х годов являются системы связи на базе низкоорбитальных спутников, высота орбит которых находится в пределах 700—1500 км. Орбитальная группа может содержать от одного до нескольких десятков малых спутников массой до 500 кг. Для охвата связью большой территории Земли применяют орбиты (на которых могут находиться несколько спутников), лежащие в различных плоскостях. Большой интерес к низкоорбитальным спутниковым системам связи объясняется возможностью предоставления ими услуг персональной связи, включая радиотелефонный обмен, при использовании сравнительно дешевых малогабаритных спутниковых терминалов. Низкоорбитальные системы позволяют обеспечить бесперебойную связь с терминалами, размещенными в любой точке Земли, и практически не имеют альтернативы при организации связи в регионах со слаборазвитой инфраструктурой связи и низкой плотностью населения. Одним из главных преимуществ, способствующих развитию низкоорбитальных систем спутниковой связи, является биологической фактор. Так, для обеспечения требований биологической защиты человека от излучения СВЧ, рекомендуемый уровень мощности непрерывного излучения радиотелефона должен составлять не более 50 Мвт. Эффективный прием сигнала такой мощности, например, геостационарным спутником сопряжен со значительным усложнением КА, развертыванием больших антенн и точным их позиционированием. Для низкоорбитальных спутниковых систем длина радиолиний во много раз меньше, и проблема создания многолучевых антенн менее остра. К этим системам относятся, прежде всего, системы Iridium и Globalslar, создаваемые зарубежными консорциумами при ведущей роли таких крупных компаний-производителей, как Motorola/Lockheed и Oualcomm/Loral соответственно. Низкоорбитальные системы рассматривались специалистами на заре становления спутниковой связи, но до недавних пор не пользовались широкой популярностью. На то имелся ряд причин, среди которых не последнее место занимает определенная инерция взглядов и суждений, согласно которой спутник «должен быть виден долго и непрерывно», а лучше всего «быть неподвижным для наблюдателя», т. е. находиться на геостационарной орбите. Правда, за последнее десятилетие было создано несколько низкоорбитальных систем, но для ограниченного применения, связанного, главным образом, с передачей коротких и относительно редких сообщений (примером может служить первый проект российской систем «Гонец-Д». И лишь заманчивая идея глобальной персональной связи, основанной на современной технологии, возродила интерес к низкоорбитальным спутниковым системам. В проекте системы Iridium космический сегмент должен содержать в составе 66 спутников-ретрансляторов, размещенных на орбитах высотой 780 км. В системе Globalstar предусматривается 48 спутников-ретрансляторов находящихся на орбитах высотой около 1000 км. Такое число спутников необходимо для поддержания непрерывной связи, предоставляемой любому абоненту на территории земного шара, ибо каждый из низкоорбитальных спутников-ретрансляторов находится в зоне видимости абонента всего несколько минут. Благодаря следованию спутнике в одного за другим и расположению их орбит в разных плоскостях, обеспечивается полное покрытие земной поверхности зонами обзора и непрерывная видимость спутников с наземных станций. При этом переключен не с одного спутника на другой является делом техники, а увеличение их числа компенсируется снижением затрат на их выведение (несколько спутников за один раз) на заданную орбиту. Ситуация на рынке телекоммуникаций в настоящее время такова, что даже странах с развитой инфраструктурой связи около 35% услуг предоставляется низкоорбитальными спутниковыми системами. В последнее время отечественными и зарубежными фирмами заявлено около 40 различных проектов по созданию низкоорбитальных систем, которые оцениваются как вполне реализуемые. Далее будут рассмотрены те проекты низкоорбитальных систем связи, которые находятся в стадии применения или развертывания. 2.2. Среднеорбитальные системы спутниковой связи. К среднеорбитальным спутникам связи МЕО относятся спутники с высотой орбиты 5—15 тыс. км. В среднеорбитальной группе может находиться до 12 спутников, масса которых составляет до 1000 кг. При таких орбитах время видимости одного спутника-ретранслятора доходит до нескольких часов, что позволяет уменьшить количество спутников до 10—12 и, кроме того, увеличить углы, под которыми их «наблюдают» абонентские терминалы. Из проектов МЕО-систем наиболее известны Inmarsat, ICO и Odyssey, созданные различными международными организациями и концернами. Кроме космического и пользовательского сегментов (орбитальной группы спутников и абонентских терминалов), архитектура МЕО-систем включает комплексы радиочастотного, линейного, коммутационного оборудования шлюзовых станций, предназначенных для соединения мобильных или неподвижных абонентов спутниковых систем с абонентами ТфОП и других наземных сетей и служб, в том числе сотовых систем радиосвязи. К факторам, способствующим развитию среднеорбитальной спутниковой системы, можно отнести то, что группировка КА находится между двумя разновысотными радиационными поясами естественного происхождения, что позволяет обеспечить большой срок эксплуатации (до 10 лет). Это очень важно, поскольку вывод спутника на сред не высотную орбиту значительно дороже, чем на низкую. В зависимости от высоты расположения группировки КА задержка распространения сигнала колеблется от 40 до 140 мс, но остается при этом незаметной для восприятия речи на слух. Для обеспечения надежной связи в большинстве регионов Земли достаточно сравнительно малого количества спутников — 9 (при увеличении их числа до 12 обеспечивается глобальное обслуживание). 2.3. Геостационарные системы спутниковой связи. Персональная связь может быть реализована с помощью спутников-ретрансляторов, находящихся на геостационарной орбите GEO, которые «зависают» над заранее выбранными точками Земли. Такое «зависание» обеспечивается высотой орбиты (35875 км), на которой скорость перемещения спутника совпадает со скоростью вращения Земли. Системы на основе геостационарных спутников, из-за постоянства их расположения над определенной точкой поверхности Земли, обладают следующими преимуществами при организации глобальной связи: отсутствие перерывов связи из-за взаимного перемещения спутников и пользовательского терминала во время сеанса связи; охват связью 95% поверхности Земли системой, состоящей всего из трех геостационарных спутников; отсутствие необходимости в организации межспутниковой связи. Большинство ACT, использующих технологию VSAT, обслуживаются спутниками-ретрансляторами, находящимися на геостационарной орбите, высота которой достаточно большая, поэтому основным недостатком таких систем является длительная задержка между передачей и приемом сигнала. Кроме того, дополнительную задержку вносят атмосфера и приемопередающая аппаратура VSAT-терминалов и спутников-ретрансляторов. На практике появление задержки приводит к тому, что при телефонном разговоре возникают паузы. Наличие задержек может служить препятствием к использованию телефонной связи, так как вследствие этого невозможно взаимодействие с другими системами передачи данных. Поскольку геостационарная орбита находится на расстоянии около 36000 км от поверхности Земли, то задержка из-за конечности скорости распространения радиосигнала в одном направлении составляет около 260 мс, если сигнал проходит путь до спутника-ретранслятора и обратно — задержка равна 2x260=520 мс. Остальные перечисленные источники задержки не играют большой роли. При передаче данных задержка незаметна и может проявляться только в некотором снижении скорости обмена. Для устранения этого недостатка применяют специальные протоколы. Однако в телефонной связи задержка сигнала чувствуется очень сильно и при высоких требованиях к каналу связи может быть неприемлема. В последние годы разработано несколько проектов применения спутниковых GEO-систем для обеспечения персональной связи. Это проекты АРМТ (Asiа Pacifik Mobil Telecommunications), ASC (Afro-Asian Satellite Communications), ACS (Asia Cellula Satellite) и др. Их отличительная особенность — применение спутников-ретрансляторов с большими (диаметром 12 м и более) многолучевыми антеннами. Системы персональной связи на основе геостационарных спутников потенциально могут предоставить услуги, сравнимые с услугами низкоорбитальных систем, если формируемые на поверхности Земли соты будут примерно одинаковы. При этом размеры бортовой антенны КА, необходимые для формирования узкой диаграммы направленности, должны быть большими, но в пределах возможностей современных технологий. |