Спутниковая связь

Спутниковая связь

 

 

Спутник связи Syncom-1

 

Спутниковая связь — один из видов космической радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников земли в качестве ретрансляторов. Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными.

Спутниковая связь является развитием традиционной радиорелейной связи путем вынесения ретранслятора на очень большую высоту (от десятков до сотен тысяч км). Так как зона его видимости в этом случае — почти половина Земного шара, то необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает — в большинстве случаев достаточно и одного.

 

 

История.

В 1945 году в статье «Внеземные ретрансляторы» («Extra-terrestrial Relays»), опубликованной в октябрьском номере журнала «Wireless World», 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.

Почтовый конверт, посвященный 5-ти летию запуска первого спутника Земли

 

 

В 1957 году в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли с радиоаппаратурой на борту.

 

Воздушный шар «Эхо-1»

 

 

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  Early Bird.

 

 

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 Early Bird (англ.) («ранняя пташка»), произведенный корпорацией COMSAT, был запущен 6 апреля 1965 год.

По сегодняшним меркам спутник Early Bird (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.

 

 

Спутниковые ретрансляторы

Пассивный спутник связи Echo-2. Металлизированная  надувная сфера выполняла функции  пассивного ретранслятора

 

В первые годы исследований использовались пассивные спутниковые ретрансляторы (примеры — спутники «Эхо» и «Эхо-2»), которые представляли собой простой отражатель радиосигнала (часто — металлическая или полимерная сфера с металлическим напылением), не несущий на борту какого-либо приёмопередающего оборудования. Такие спутники не получили распространения. Все современные спутники связи являются активными. Активные ретрансляторы оборудованы электронной аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции сигнала. Спутниковые ретрансляторы могут быть нерегенеративными и регенеративными. Нерегенеративный спутник, приняв сигнал от одной земной станции, переносит его на другую частоту, усиливает и передает другой земной станции. Спутник может использовать несколько независимых каналов, осуществляющих эти операции, каждый из которых работает с определенной частью спектра (эти каналы обработки называются транспондерами).

Регенеративный спутник  производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому исправление ошибок производится дважды: на спутнике и на принимающей земной станции. Недостаток этого метода — сложность (а значит, гораздо более высокая цена спутника), а также увеличенная задержка передачи сигнала.

 

Орбиты спутниковых  ретрансляторов.

Орбиты: 1 — экваториальная, 2 — наклонная, 3 — полярная

 

Орбиты, на которых размещаются  спутниковые ретрансляторы, подразделяют на три класса:

• экваториальные,
• наклонные,
• полярные.

Важной разновидностью экваториальной орбиты является геостационарная орбита, на которой спутник вращается с угловой скоростью, равной угловой скорости Земли, в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли. Очевидным преимуществом геостационарной орбиты является то, что приемник в зоне обслуживания «видит» спутник постоянно.

Однако геостационарная  орбита одна, и все спутники вывести  на неё невозможно. Другим её недостатком  является большая высота, а значит, и большая цена вывода спутника на орбиту. Кроме того, спутник на геостационарной орбите не способен обслуживать земные станции в приполярной области.

Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трех спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.

Полярная орбита — предельный случай наклонной (с наклонением 90º).

При использовании наклонных  орбит земные станции оборудуются  системами слежения, осуществляющими  наведение антенны на спутник. Станции, работающие со спутниками, находящимися на геостационарной орбите, как правило, также оборудуются такими системами, чтобы компенсировать отклонение от идеальной геостационарной орбиты. Исключение составляют небольшие антенны, используемые для приема спутникового телевидения: их диаграмма направленности достаточно широкая, поэтому они не чувствуют колебаний спутника возле идеальной точки.

 

Многократное  использование частот. Зоны покрытия.

Типичная карта покрытия спутника, находящегося на геостационарной орбите.

 

 

Поскольку радиочастоты являются ограниченным ресурсом, необходимо обеспечить возможность использования одних  и тех же частот разными земными  станциями. Сделать это можно  двумя способами:

пространственное  разделение — каждая антенна спутника принимает сигнал только с определенного района, при этом разные районы могут использовать одни и те же частоты,

поляризационное разделение — различные антенны принимают и передают сигнал во взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации, при этом одни и те же частоты могут применяться два раза (для каждой из плоскостей).

Типичная карта покрытия для спутника, находящегося на геостационарной  орбите, включает следующие компоненты:

глобальный луч — производит связь с земными станциями по всей зоне покрытия, ему выделены частоты, не пересекающиеся с другими лучами этого спутника.

лучи западной и восточной полусфер — эти лучи поляризованы в плоскости A, причем в западной и восточной полусферах используется один и тот же диапазон частот.

зонные лучи — поляризованы в плоскости B (перпендикулярной A) и используют те же частоты, что и лучи полусфер. Таким образом, земная станция, расположенная в одной из зон, может использовать также лучи полусфер и глобальный луч.

При этом все частоты (за исключением зарезервированных  за глобальным лучом) используются многократно: в западной и восточной полусферах и в каждой из зон.

 

Частотные диапазоны

Антенна для приема спутникового телевидения (Ku-диапазон)

 

 

Спутниковая антенна для C-диапазона

 

 

Выбор частоты для передачи данных от земной станции к спутнику и от спутника к земной станции  не является произвольным. От частоты  зависит, например, поглощение радиоволн в атмосфере, а также необходимые размеры передающей и приемной антенн. Частоты, на которых происходит передача от земной станции к спутнику, отличаются от частот, используемых для передачи от спутника к земной станции (как правило, первые выше).

Частоты, используемые в  спутниковой связи, разделяют на диапазоны, обозначаемые буквами. К  сожалению, в различной литературе точные границы диапазонов могут  не совпадать. Ориентировочные значения даны в рекомендации ITU-R V.431-6

 

Название диапазона	Частоты (согласно ITU-R V.431-6)		Применение
L		1,5 ГГц		Подвижная спутниковая связь
S		2,5 ГГц		Подвижная спутниковая связь
С		4 ГГц, 6 ГГц		Фиксированная спутниковая связь
X		Для спутниковой связи  рекомендациями ITU-R частоты не определены. Для приложений радиолокации указан диапазон 8-12 ГГц.		Фиксированная спутниковая  связь (для военных целей)
Ku		11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц		Фиксированная спутниковая  связь, спутниковое вещание
K		20 ГГц		Фиксированная спутниковая  связь, спутниковое вещание
Ka		30 ГГц		Фиксированная спутниковая  связь, межспутниковая связь

 

 

Используются и более  высокие частоты, но повышение их затруднено высоким поглощением  радиоволн этих частот атмосферой. Ku-диапазон позволяет производить прием сравнительно небольшими антеннами, и поэтому используется в спутниковом телевидении (DVB), несмотря на то, что в этом диапазоне погодные условия оказывают существенное влияние на качество передачи.

Для передачи данных крупными пользователями (организациями) часто  применяется C-диапазон. Это обеспечивает более высокое качество приема, но требует довольно больших размеров антенны.

 

 

Модуляция и помехоустойчивое кодирование

Особенностью спутниковых  систем связи является необходимость  работать в условиях сравнительно низкого отношения сигнал/шум, вызванного несколькими факторами:

• значительной удаленностью приемника от передатчика,
• ограниченной мощностью спутника (невозможностью вести передачу на большой мощности).

В связи с этим спутниковая  связь плохо подходит для передачи аналоговых сигналов. Поэтому для передачи речи её предварительно оцифровывают, используя, например, импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ).

Для передачи цифровых данных по спутниковому каналу связи они  должны быть сначала преобразованы  в радиосигнал, занимающий определенный частотный диапазон. Для этого  применяется модуляция (цифровая модуляция называется также манипуляцией). Наиболее распространенными видами цифровой модуляции для приложений спутниковой связи являются фазовая манипуляция и квадратурная амплитудная модуляция. Например, в системах стандарта DVB-S2 применяются QPSK, 8-PSK, 16-APSK и 32-APSK.

Модуляция производится на земной станции. Модулированный сигнал усиливается, переносится на нужную частоту и поступает на передающую антенну. Спутник принимает сигнал, усиливает, иногда регенерирует, переносит на другую частоту и с помощью определённой передающей антенны транслирует на землю.

Из-за низкой мощности сигнала  возникает необходимость в системах исправления ошибок. Для этого  применяются различные схемы помехоустойчивого кодирования, чаще всего различные варианты свёрточных кодов (иногда в сочетании с кодами Рида-Соломона), а также турбо-коды и LDPC-коды.

 

Множественный доступ

Для обеспечения возможности  одновременного использования спутникового ретранслятора несколькими пользователями применяют системы множественного доступа:

• множественный доступ с частотным разделением — при этом каждому пользователю предоставляется отдельный диапазон частот.
• множественный доступ с временным разделением — каждому пользователю предоставляется определенный временной интервал (таймслот), в течение которого он производит передачу и прием данных.
• множественный доступ с кодовым разделением — при этом каждому пользователю выдается кодовая последовательность, ортогональная кодовым последовательностям других пользователей. Данные пользователя накладываются на кодовую последовательность таким образом, что передаваемые сигналы различных пользователей не мешают друг другу, хотя и передаются на одних и тех же частотах.