Спутник.ppt
- Количество слайдов: 36
Спутниковые системы связи. Обзорная лекция К. т. н. Алёшин А. В.
Спутниковые системы связи Введение 1. Определение спутниковой связи. 2. Основные показатели спутниковой связи: 2. 1 типы используемых орбит; 2. 2 зона обслуживания связью; 2. 3 пропускная способность. 3. Схема организации связи в сети спутниковой связи (радиальном направлении). 4. Основные системы спутниковой связи: 4. 1 Инмарсат; 4. 2 Глобалстар; 4. 3 Турайя; 4. 4 Иридиум. 2
Введение 3 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 - на высокой эллиптической орбите (ВЭО), геостационарной орбите (ГСО) и низковысотной орбите (НВО). Каждый тип ИСЗ имеет свои преимущества и недостатки. 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=f 0/(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.
1 Определение спутниковой связи 4 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 (РТР) и других систем спутника осуществляется от солнечных батарей, работающих почти все время под лучами ничем не затемненного Солнца. На достаточно высокой орбите ИСЗ «видит» очень большую территорию – около одной трети поверхности Земли, поэтому через бортовой РТР могут непосредственно связаться любые станции, находящиеся на этой территории. Трех ИСЗ может быть достаточно для создания почти глобальной системы связи. В тоже время современные технические средства позволяют сформировать достаточно узкий луч, чтобы при необходимости сконцентрировать энергию передатчика ИСЗ на ограниченной площади, например на территории небольшого государства. Это создает возможность эффективно использовать ИСЗ также и для обслуживания небольших зон. Следует отметить, что трасса радиолуча между ИСЗ и земной станцией (ЗС) проходит обычно под значительными углами к земной поверхности, что уменьшает влияние затенений и шумового излучения Земли на прием сигналов земными станциями. По изложенным причинам спутниковая связь, начавшая свое развитие в середине 60 -х годов с появлением советского спутника «Молния» и американского «Телстар» , быстро развивается во всем мире. Создано большое число систем спутниковой связи и вещания, различных по функциям, обслуживаемой зоне, составу, емкости. Приведем определения основных понятий, руководствуясь «Регламентом радиосвязи» , ГОСТ, сложившейся практикой применения. 1. Земная станция (ЗС) – станция, расположенная на земной поверхности (или в основной части земной атмосферы) и предназначенная для связи с космическими станциями либо с другими ЗС через космические станции или другие космические объекты, например пассивные (отражательные) ИСЗ. В отличие от ЗС – станции наземных систем радиосвязи, не относящихся к космическим системам связи или радиоастрономии, называются наземными. 2. Космическая станция (КС) – станция, расположенная на объекте, который находится за пределами основной части атмосферы Земли (либо находится там, либо предназначен для вывода), например на ИСЗ. 3. Спутниковая связь – связь между земными станциями через космические станции или пассивные ИСЗ. Таким образом, спутниковая связь – частный случай космической радиосвязи. 4. Спутниковая линия – линия связи между земными станциями с помощью одного ИСЗ, на каждом направлении включает в себя участок Земля – спутник (рис. ) ( «линия вверх» ) и участок спутник – Земля ( «линия вниз» ). Земные станции соединяются с узлами коммутации сети связи (например, с междугородной телефонной станцией – МТС), с источниками и потребителями программ телевидения, звукового вещания с помощью наземных соединительных линий (см. рис. 1) либо устанавливаются непосредственно на МТС, телецентре и тому подобных источниках и потребителях информации. Космические станции МТС ЗС ЗС МТС
1 Определение спутниковой связи 5 В зависимости от типа ЗС и назначения системы, различают следующие службы радиосвязи: - фиксированная спутниковая служба (ФСС) – служба радиосвязи между ЗС, расположенными в определенных, фиксированных пунктах, при использовании одного или нескольких спутников; к ФСС относят также фидерные линии (линии подачи программ на космическую станцию) для других служб космической радиосвязи, например для радиовещательной спутниковой или спутниковой подвижной служб; - подвижная спутниковая служба (ПСС) – между подвижными ЗС (или между подвижными и фиксированными ЗС) с участием одной или нескольких космических станций (в зависимости от места установки подвижной ЗС различают сухопутную, морскую, воздушную подвижные спутниковые службы); - радиовещательная спутниковая служба (РСС) – служба радиосвязи, в которой сигналы космических станций предназначены для непосредственного приема населением. Системы, относящиеся к ФСС, также широко используют для распределения радиовещательных программ. Так, система «Орбита» и «Москва» , изначально предназначенные для распределения по территории России и стран СНГ телевизионных программ и программ звукового вещания, относятся к ФСС. Принятые станцией «Орбита» программы высокого качества подают на телецентры, снабженные передатчиком большой мощности, сама станция «Орбита» является достаточно сложным сооружением. Прогресс приемной техники привел к тому, что различие между фиксированной и вещательной службами в некоторых случаях стирается, но их определение следует учитывать, поскольку службам выделены различные полосы частот. При передаче радиовещательных программ с помощью систем ФСС различают прямое и косвенное распределение программ. В случае прямого распределения программы подают от системы ФСС непосредственно на наземные вещательные станции без каких-либо промежуточных распределительных систем, а в случае косвенного распределения программы поступают от ЗС ФСС для дальнейшего распределения по наземным сетям к различным земным вещательным станциям. 5. Контрольные ЗС – станции, контролирующие режим работы РТР космической станции, соблюдение ЗС сети важных для работы всей сети показателей – излучаемой мощности, частоты передачи, поляризации, качества модулирующего сигнала и т. п. Роль контрольных ЗС в поддержании нормальной работы системы велика. Часто функции контрольной станции (КС) возлагаются на одну из передающих или приемопередающих станций сети. Контрольные и центральные станции сети обычно имеют возможность обмена информацией со станциями сети по специально создаваемой подсистеме служебной связи. Обычно удается образовать эту подсистему через тот же ИСЗ, через который работает основная сеть, но в некоторых случаях приходится использовать наземные каналы связи. 6. Земные станции системы управления и контроля ИСЗ – станции, осуществляющие управление функционированием Космической станции и всеми другими подсистемами ИСЗ, контроль за их состоянием, выводом ИСЗ на орбиту при первоначальных испытаниях и вводе в эксплуатацию КС. 7. Центр управления системой связи – орган, осуществляющий руководство эксплуатацией системы и ее развитием, т. е. вводом в действие новых ЗС и ИСЗ, расписанием их работы, предоставлением стволов потребителям, проведением ремонтно–профилактических работ и т. п. Центр управления обычно соединяют со станциями сети каналами служебной связи. Иногда центр может совмещаться с передающей станцией системы управления спутникового вещания либо с контрольной ЗС.
2. 1 Типы используемых орбит спутников Земли • • • 6 Орбитой называется траектория движения ИСЗ. После вывода спутника на орбиту ракетные двигатели выключаются, и спутник, как и всякое небесное тело, движется по инерции и при воздействии гравитационных сил, главная из которых – притяжение Земли. Если принять, что Земля – идеальный шар и на спутник действует только сила притяжения Земли, то движение спутника подчиняется известным из астрономии законам Кеплера. Орбита имеет форму эллипса, в одном из фокусов (а не в центре) которого располагается Земля. Плоскость орбиты проходит через центр Земли и остается неподвижной во времени. Поскольку при движении в безвоздушном пространстве энергия не расходуется, то полная механическая энергия ИСЗ (кинетическая или потенциальная) не меняется в течение длительного времени. Это приводит к тому, что при удалении от Земли скорость спутника и его кинетическая энергия падают, а приближении к Земле – растут. В соответствии с 1 -м законом Кеплера любая орбита (траектория движения) спутника Земли лежит в неподвижной плоскости, проходящей через центр Земли, и представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Земля. Орбита ИСЗ обычно характеризуется: наклонением – углом i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора; высотой апогея (наиболее удаленной) и перигея (наиболее близкой к поверхности Земли точке орбиты); периодом обращения – временем, в течение которого ИСЗ совершит полный оборот вокруг Земли, вернувшись в исходную точку. Заметим, что, поскольку окружность – частный случай эллипса, вполне возможны и круговые орбиты, при которых фокусы сливаются с центром, т. е. Земля оказывается в центре орбиты. При выборе типа орбиты для спутников систем связи и вещания необходимо прежде всего учитывать, что находящийся на орбите ИСЗ должен связываться с ЗС, расположенной в заданной зоне обслуживания, в течение сеанса связи необходимой длительности. Сеанс связи обычно должен составлять не менее нескольких часов, для систем телевизионного вещания – не менее 12 – 16 ч. , а система связи должна, как правило, действовать круглосуточно. Если сеанс связи не круглосуточный, то желательно, чтобы он повторялся в одно и то же время суток. Для этого применяются так называемые синхронные или субсинхронные орбиты, для которых период обращения точно равен длительности суток либо длительности суток, деленной на целое число. Если один ИСЗ не обеспечивает необходимой круглосуточной связи между ЗС в зоне обслуживания, то обычно используют несколько ИСЗ на той же орбите, смещенных по положению так, чтобы при одновременном и быстром переходе всех ЗС на новый ИСЗ достигалась круглосуточная (хотя и короткими перерывами) работа новой системы связи. Наиболее широко применяется геостационарная орбита (ГО) – круговая орбита, расположенная в плоскости экватора, с высотой над поверхностью Земли 35 786 км. Располагающийся на такой орбите спутник совершает один оборот вокруг Земли точно за одни сутки, т. е. за то же время, за которое Земля делает оборот вокруг своей оси. Поэтому ИСЗ не геостационарной орбите (его называют геостационарным ИСЗ) оказывается как бы неподвижно стоящим над некоторой экваториальной точкой поверхности Земли.
2. 1 Типы используемых орбит спутников Земли Параметры нескольких синхронных орбит Высота эллиптической орбиты Период обращения Т, час Число витков в сутки N Высота круговой орбиты Н, км Перигей Нп Апогей На 4 6 6 760 500 13 000 6 4 10 750 500 21 000 8 3 14 250 500 28 000 12 2 20 325 500 40 250 24 1 35 875 500 71 250 7
2. 1 Типы используемых орбит спутников Земли • • • 8 Преимущества 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; отсутствует (или становится весьма малым) частотный сдвиг, обусловленный эффектом Доплера; зона видимости геостационарного ИСЗ – около одной трети земной поверхности; трех геостационарных ИСЗ достаточно для создания практически глобальной системы связи. Благодаря этим преимуществам ГО используется очень широко. На некоторых ее участках размещение новых ИСЗ оказывается затруднительным из-за взаимных помех с уже действующими системами спутниковой связи (ССС), и проблема эффективного использования ГО приобрела самостоятельное значение. Однако в полярных широтах углы места антенны земной станции, направленной на геостационарный ИСЗ, малы, а вблизи полюса он просто не виден. Малые углы места приводят к затенению спутника местными предметами, увеличиваются шумы антенной системы станции, создаваемые радиошумовым излучением Земли. Углы места на геостационарный ИСЗ уменьшаются также с удалением по долготе точки приема от долготы ИСЗ. Таким образом, для обслуживания территорий в высоких широтах геостационарный ИСЗ должен размещаться как можно ближе к центральной долготе обслуживаемой зоны. Участок ГО, в пределах которого можно менять точку стояния ИСЗ с сохранением необходимой зоны обслуживания, называется дугой обслуживания. Приходится считаться с тем, что под действием различных возмущающих факторов – несферичности Земли, притяжения Луны и Солнца – стационарное положение ИСЗ нарушается, происходят медленное смещение (дрейф) его среднего положения, перемещение по суточному циклу. Возмущающие факторы приводят также к изменению плоскости наклонения орбиты примерно на 0, 92º в год. Это означает, что спутник, выведенный на орбиту, расположенную точно в плоскости экватора, уже через год будет в течение каждых суток описывать на небесной сфере фигуру (восьмерку или эллипс в проекции на Землю) с размахом 0, 92º в направлении север – юг. Устранение возмущений орбиты достигается периодическим включением корректирующих двигателей ИСЗ, причем коррекция плоскости наклонения требует существенно большего расхода энергии, чем коррекция долготы точки стояния. Если же коррекция возмущений не производится, то приходится осуществлять слежение антенн ЗС за ИСЗ либо применять антенны ЗС с широкой диаграммой направленности (и, следовательно с малым усилением); очевидно, что отсутствие коррекции возмущений положения ИСЗ либо неточное ее осуществление ухудшает использование космического пространства. В связи с большой загрузкой ГО рассматривается применение субсинхронных круговых и эллиптических орбит с периодом обращения 12, 8, 6 и 3 часа, для чего спутник выводится на меньшую высоту и может при этом обслуживать меньшую территорию сеансами, повторяющимися несколько раз в сутки в одно и то же время. В настоящее время широкое применение, кроме ГО, нашла высокая эллиптическая орбита с периодом обращения 12 часов. На эту орбиту выводятся ИСЗ «Молния» , используемые системой связи и вещания России. Наклонение плоскости орбиты ИСЗ «Молния» 63, 4º, высота перигея 40 тыс. км. В соответствии со 2 -м законом Кеплера движение ИСЗ на большой высоте – в области апогея – замедляется, а область перигея, расположенную над южным полушарием Земли, спутник проходит очень быстро.
2. 2 Зоны видимости, покрытия, обслуживания 9 Для радиосвязи через ИСЗ между земными пунктами необходимо обеспечить их нахождение в зоне радиотехнической видимости (радиовидимости) спутника. Считают, что пункт находится в зоне радиотехнической видимости в случае наблюдения с него спутника под некоторым углом места к местному горизонту, большим минимально допустимого о. Величина угла о, составляющая обычно 5÷ 10 гр. , обусловлена необходимостью возвышения антенны станции над горизонтом из - за шумов, наводимых в антенне при малых углах места, и зависит от характера рельефа местности, окружающей земную станцию. Территорию, для каждой точки которой обеспечивается радиотехническая видимость спутника, называют зоной радиовидимости. Параметрами, определяющими размер зоны радиотехнической видимости, являются высота орбиты в рассматриваемый момент времени и минимально допустимое значение угла места. Существенное увеличение размеров зоны радиовидимости происходит с ростом высоты орбиты до 30 ÷ 35 тыс. км. Начиная с высоты примерно 50 тыс. км. , дальнейшее увеличение высоты полета ИСЗ практически не приводит к сколь-нибудь ощутимому увеличению размеров зоны. Под понятием зоны видимости ИСЗ следует понимать часть поверхности Земли, с которой ИСЗ виден под углом места больше некоторой минимально допустимой величины (например, 5º) в течение заданной длительности сеанса связи; под мгновенной зоной видимости понимается зона видимости в определенный момент, т. е. при нулевой длительности сеанса связи. При движении ИСЗ мгновенная зона перемещается, и поэтому зона видимости в течение некоторого времени всегда меньше мгновенной, т. к. представляет собой внутреннюю огибающую мгновенных зон. Важнейшей характеристикой системы спутниковой связи является зона покрытия – часть зоны видимости, в которой обеспечиваются необходимые энергетические соотношения на линии связи при определенных энергетических параметрах ЗС. Эта характеристика имеет важное значение при проектировании систем спутниковой связи и анализе взаимодействия между ними. Если диаграммы направленности бортовых антенн ИСЗ на прием и передачу достаточно широки, чтобы охватить всю видимую с ИСЗ часть Земли при малой неравномерности усиления, то зона покрытия совпадает с зоной видимости – это так называемая глобальная зона покрытия. Такие зоны имели все первые связные ИСЗ, да и сейчас такие зоны создаются на многих ИСЗ – «Интелсат» , «Горизонт» , «Молния» и др. – с целью достижения максимального охвата земной поверхности. Однако с целью улучшения энергетики линий связи все чаще создаются зоны покрытия малого размера, максимально приближенные к границам обслуживаемой территории – региона, государства или даже его части. Часто зона покрытия определяется как территория, в каждой точке которой угол места при направлении антенн ЗС на спутник не менее минимально допустимого и плотность потока мощности, создаваемого передатчиком ИСЗ, не ниже требуемого значения. Это определение не отличается от данного выше, если пренебречь энергетическими соотношениями на участке линии связи Земля – спутник, т. е. не учитывать возможность влияния диаграммы направленности приемной антенны ИСЗ. На практике часто энергетический баланс на участке Земля – спутник не является определяющим, и в любом случае соответствующим увеличением мощности передатчика ЗС можно достичь необходимого уровня сигнала на входе приемного ИСЗ. В этой ситуации последнее определение зоны обслуживания вполне справедливо. Однако в ССС с разветвленной сетью земных станций передатчики ЗС оказываются одной из самых дорогостоящих частей системы, и не считаться с энергетикой на линии «вверх» нельзя. Поэтому данное нами выше определение является наиболее общим. Таким образом, построение зоны покрытия на карте распадается на четыре этапа.
2. 2 Зоны видимости, покрытия, обслуживания 10 1. Определение зоны видимости. Для этого решается чисто геометрическая задача определения угла места для ЗС в некоторой точке земной поверхности – угла между направлением от этой точки на ИСЗ и поверхностью Земли. Целесообразно построить на карте линии равных углов места, соответствующие малым значениям этого угла, например 10, 5º и т. д. Линии равных углов места для ИСЗ не геостационарной орбите представляют собой зависимость географической широты точки на земной поверхности от Δ = ( - о) – разности между долготой этой точки и долготой стационарного ИСЗ при некотором фиксированном значении угла места . 2. Определение зоны, в которой ИСЗ создает необходимую плотность потока мощности. Для этого проводится энергетический расчет линии спутник – Земля по направлениям, соединяющим ИСЗ с различными точками земной поверхности. Упрощенно этот расчет можно представить себе так. Если на оси диаграммы направленности (ДН) передающей антенны ИСЗ необходимая плотность потока у поверхности Земли достигается с некоторым превышением Δ (в децибелах), то для построения зоны необходимо по ДН определить угол β отклонения луча от оси, при котором уменьшение усиления антенны составит Δ, и найти пересечение конуса с вершиной в точке стояния ИСЗ и углом при вершине 2β с поверхностью земного шара. Очевидно, что при перемещении «точки прицеливания» оси ДН к краю видимого с ИСЗ диска Земли луч становится все более наклонным к земной поверхности, и при неизменных угловых размерах луча площадь зоны обслуживания несколько возрастает. 3. Определение зоны, которая отвечает условию приема космической станцией с необходимым качеством сигналов от находящейся в пределах зоны земной станции с нормированной в данной системе излучаемой мощностью. Эта задача подобна той, что решалась в п. 2, но с тем отличием, что при энергетическом расчете линии Земля – спутник используются параметры приемной антенны и приемного комплекса ИСЗ и передающего комплекса ЗС. 4. Определение зоны покрытия. На карту наносятся все три определенные зоны, и строится их внутренняя огибающая. Таким образом, зоной покрытия является территория, принадлежащая каждой из трех построенных зон, т. е. территория, на которой выполняются условия радиовидимости и условия необходимого качества связи на линиях спутник – Земля и Земля – спутник. В некоторых системах (чаще в системах спутникового вещания) создаются различные зоны покрытия для направлений сверху вниз и снизу вверх. Так, программа вещания может подаваться на ИСЗ из столицы государства и направляться от ИСЗ для обслуживания другой части его территории. Тогда следует ввести раздельные понятия зон покрытия для линий вниз и вверх. Зона покрытия для линии вниз находится как объединение зон, определенных в соответствии с п. п. 1. и 2, а зона покрытия на линии вверх – в соответствии с п. п. 1 и 3. Следует указать, что описанный в п. 2 упрощенные геометрический способ построения зоны с необходимой плотностью потока неточен. В результате расчета по этому способу получается лишь так называемая заявочная характеристика антенны, приводимая страной – заявителем на первом этапе регистрации создаваемой новой системы спутниковой связи в Международном союзе электросвязи. Заявочную характеристику антенны можно определить как изображенный на географической карте набор контуров, соответствующих постоянному усилению передающей антенны бортового РТР (точнее, постоянному уменьшению усиления антенны на -2, - 4 д. Б и т. д. относительно максимума ДН). При реальном проектировании системы для определения зоны покрытия необходимо учитывать ряд дополнительных обстоятельств. Так, расстояния от ИСЗ до различных точек поверхности Земли – наклонная дальность d – различны, а следовательно, несколько различно и затухание радиосигналов; наименьшее расстояние – до подспутниковой точки (т. е. точки, лежащей на прямой между ИСЗ и центром Земли). Более важным и сложным для учета является то обстоятельство, что в атмосфере Земли возникает дополнительное затухание, которое в основном обусловлено частицами влаги, зависит от угла прихода луча (угла места антенн ЗС) и при малых углах заметно возрастает. Это в противовес изложенным ранее геометрическим соображениям делает невыгодной работу при малых углах, особенно на частотах выше 10 ГГц, и уменьшает зону покрытия по сравнению с построенной чисто геометрически заявочной характеристикой.
Параметры нескольких синхронных орбит. 2. 2 Зоны видимости, покрытия, обслуживания 11
2. 2 Зоны видимости, покрытия, обслуживания 12 Существенно влияет на размеры зоны обслуживания нестабильность положения ИСЗ на орбите и нестабильность ориентации его антенн. В связи с этим для точного расчета зоны покрытия приходится определять ту часть поверхности Земли, где заданное качество связи обеспечивается при любых, даже самых неблагоприятных сочетаниях параметров, характеризующих нестабильность ИСЗ. Иными словами, приходится отыскивать внутреннюю огибающую зон покрытия, рассчитанных для различных сочетаний величин, определяющих положение ИСЗ и направление его антенн. Такой расчет можно выполнить только с помощью ЭВМ. Чтобы подчеркнуть влияние нестабильности луча передающей антенны ИСЗ, введено понятие зоны гарантированного уровня сигнала; это понятие близко к данному ранее определению зоны покрытия, учитывает как ограничения, обусловленные радиовидимостью, так и создаваемую (с учетом нестабильности) плотность потока мощности у поверхности Земли и отличается тем, что не принимает во внимание энергетических соотношений на участке снизу вверх. Используется также понятие зоны обслуживания – той части поверхности Земли, на которой расположены или могут располагаться ЗС данной сети, т. е. зоны, в которой необходимо обеспечить нормальную работу ЗС. На этой территории необходимо обеспечить не только выполнение всех условий, определяющих зону покрытия, но и соблюдение необходимой защиты от помех со стороны других радиосистем, в том числе других спутниковых систем связи. 2. 3. Пропускная способность системы спутниковой связи. Числом стволов ИСЗ, их полосой пропускания и ЭИИМ определяется в основном важнейший суммарный показатель ИСЗ – его пропускная способность, т. е. число телефонных и телевизионных каналов, либо в более общем виде число двоичных единиц в секунду, которое можно передать через данный ИСЗ. О пропускной способности ИСЗ можно говорить лишь условно, поскольку она зависит от добротности применяемых в системе земных станций, а также от вида применяемых радиосигналов; пропускная способность, по существу, - характеристика системы, а не ИСЗ. Тем не менее в литературе часто используется понятие пропускной способности (емкости) ИСЗ. Отметим, что пропускная способность ствола ИСЗ зависит в некоторой степени не только от основных показателей – полосы пропускания и ЭИИМ, но и от других параметров, определяющих искажения передаваемых сигналов: неравномерности амплитудной характеристики, коэффициента АМ – ФМ преобразования и др. Эти параметры влияют на взаимные помехи между сигналами различных ЗС, на достоверность приема сигналов и тем самым на энергетические потери, обусловленные прохождением сигналов через неидеальный тракт бортового ретранслятора ИСЗ. Пропускная способность системы есть объединение пропускных способностей входящих в систему ИСЗ. В данном случае слову «объединение» (а не «сумма» ) придается тот же смысл. Пропускная способность системы оказывается меньше суммы пропускных способностей отдельных ИСЗ, поскольку для связи между собой станций, работающих через разные ИСЗ, часть каналов транслируется двумя КС последовательно – с помощью двухскачковой линии (Земля – ИСЗ – Земля - ИСЗ - Земля) или прямых межспутниковых соединений (Земля – ИСЗ – Земля). Если в системе спутниковой связи используется только один ИСЗ, зона обслуживания и пропускная способность системы и ИСЗ совпадают.
3 Схема организации связи в сети спутниковой связи • • • 13 4. 1. Сеть связи представляет собой совокупность абонентских устройств (АУ) и Узлов связи (УС), соединенных определенным образом между собой линиями (ЛС) связи, и предназначена для обеспечения информационного обмена между абонентами сети с заданными показателями качества обмена, например, по вероятности, задержкам обмена и т. п. Элементы сети связи АУ, УС и ЛС объединяются в сеть по признаку единства решаемых задач и согласованности требований к параметрам обмена. К основным характеристикам сети относятся: структура сети; способ закрепления каналов и алгоритм функционирования сети; показатели информационного обмена; метод адресования и формат сообщений; принцип управления сетью и информационными потоками на сети и т. п. Структура сети. Способ соединения между собой УС определяет структуру сети. Радиально – узловой способ построения сети является в настоящее время наиболее распространенным и перспективным. При этом способе абонентские устройства радиально связываются с УС, а УС сети соединяются между собой линиями связи. При этом вследствие ограничений экономического характера не всегда удается обеспечить соединение УС по принципу «каждый с каждым» . Некоторые важные абонентские устройства могут иметь связь на несколько УС. 4. 2. Топологические схемы сетей связи, технологии и области применения. Существуют две основные топологические разновидности сетей спутниковой связи: Mesh ( «каждый с каждым» ), допускающая непосредственную связь между абонентскими земными станциями; Star ( «звезда» ), предусматривающая связь между абонентскими станциями через центральную станцию. Организация передачи информации в спутниковых сетях связи осуществляется по ТРЕМ основным методам разделения каналов при многостанционном доступе: FDMA (частотное разделение; TDMA (временное разделение); CDMA кодовое разделение). Многостанционный доступ обеспечивается при помощи технологий: DАMA (с предоставлением каналов по требованию); PAMA (с закрепленными каналами). Для оптимизации пропускной способности и стоимости сети в каждом конкретном случае используется сочетание методов разделения каналов и способов многостанционного доступа.
3 Схема организации связи в сети спутниковой связи • • 14 Наиболее распространенные сочетания в сети типа Star ( «звезда» ) метод: TDM/TDMA (исходящие потоки от каждой станции разделены во времени и транслируются на ЦС; там сигналы коммутируются и мультиплексируются в единый цифровой поток TDM, который доступен для приема любой абонентской станцией сети; основная задача – исключить возможность наложения информации, передаваемой разными станциями в данный момент времени на одной частоте) и SCPC/PAMA (обеспечивает в реальном масштабе времени, наряду с передачей данных, телефонную связь между абонентскими ЗС и ЦС). Сочетание SCPC/PAMA и TDM/TDMA позволяет организовать сеть по схеме двухуровневой «звезды» , в которой закрепленные каналы PAMA являются магистральными. При организации сети типа Mesh основная технология – DAMA. Она предусматривает выделение ресурсов сети каждому из абонентов только на время их активного взаимодействия. Здесь возможны два основных варианта: SCPC/DAMA, который выделяет частотный канал по требованию абонента; TDMA/DAMA, который предусматривает динамическое распределение временных слотов в кадре TDMA по запросу абонента. Выбор топологии сети спутниковой связи определяется задачами ее Заказчика. Так, сеть типа Star ориентирована в первую очередь на обеспечение услуг передачи данных, для которых возможность задержки сигнала абонентами (время распространения сигнала между абонентами достигает 0, 6 с. , что неприемлемо для передачи голоса, но допустимо для многих приложений, связанных с передачей данных). Такие сети создаются для обслуживания банкоматов, бензозаправочных станций; мониторинга и/или управления технологическими процессами на электростанциях или газораспределительных станциях; организации сервисного обслуживания автомобилей и их аренды; обмена платежными документами между региональными отделениями и центральным отделением банка и т. п. В сети Mesh время распространения сигнала между абонентами – не более 0, 3 с. , что практически не ощущается при передаче голоса, не говоря уже о других приложениях, требующих режима реального времени. В общем случае такая сеть подразумевает равноправную связь между собой, и по сравнению с топологией Star число направлений связи здесь резко возрастает. Кроме задач, решаемых в сети Star, имеется возможность организовать качественную телефонную связь, видеотелефон и даже связь видеоконференций. Построение такой сети обычно актуально для большой корпорации, имеющей территориально разнесенные отделения. Конечно, и для телефонизации удаленных и труднодоступных регионов актуальность сетей типа Mesh сохраняется. Однако для сети этого типа стоимость и станций и сети в целом существенно выше, чем для сети Star.
3 Схема организации связи в сети спутниковой связи 15 Топология сети типа Mesh ( «каждый с каждым» ) АЗС № 1 АЗС № 3 АЗС № 2 ЦЗС АЗС № 4 АЗС № 1 АЗС № n АЗС № 2 АЗС № 3 ЦЗС Топология сети типа Star ( «звезда» ) АЗС № 4 АЗС № n
3 Схема организации связи в сети спутниковой связи 16
3 Схема организации связи в сети спутниковой связи 17
4 Основные системы спутниковой связи 18 Основное достоинство спутниковой связи - возможность вести телефонные переговоры в любой точке мира, тогда как владельцы сотовых телефонов могут разговаривать только на территории покрытия станциями сотовой сети. Все сети спутниковой связи предоставляют возможность надежной качественной телефонии. Различия между ними состоят в: • наборе дополнительных услуг, предлагаемых абоненту; • области покрытия; • и, конечно, в стоимости телефонных аппаратов и услуг связи. Сегодня в мире существует множество различных систем спутниковой связи. У каждой из них есть свои достоинства и недостатки. Наиболее известные из них: Инмарсат, Глобалстар, Турайя и Иридиум.
4 Основные системы спутниковой связи 19 • Инмарсат (Inmarsat) - первый оператор мобильной спутниковой связи в мире. Eдинственные, кто предлагает полный набор услуг современной спутниковой связи для морских, наземных и воздушных приложений. • Турайя (Thuraya) - действительно недорогая (исходящие от $0. 25, входящие в спутниковом режиме - бесплатно) мобильная спутниковая связь. Совмещенный спутниковый+сотовый телефон с единым номером + GPS-приемник с точностью до 100 метров. • Глобалстар (Globalstar) - провайдер мобильных услуг спутниковой связи нового поколения, предоставляющий телефонную связь в те районы, услуги связи в которых были ранее недоступны или ограничены. Глобалстар предоставляет доступ к передаче голоса и данных из практически любого населенного района мира. • Иридиум (Iridium) - беспроводная спутниковая сеть, созданная для обеспечения телефонной связи в любой точке планеты в любое время. Универсальный доступный сервис - новые возможности для бизнеса и жизни.
4. 1 Inmarsat 20 Созданная в 1979 году с целью удовлетворения потребностей в спутниковой связи на морских судах и безопасности мореплавания, система Инмарсат в настоящее время управляет глобальной спутниковой группировкой, которая используется независимыми сервис-провайдерами для предоставления пользователям услуг связи: голосовой, факсимильной, телексной и скоростной передачи данных. Продолжая развивать и совершенствовать связь на море, Инмарсат расширил сферу своего влияния на наземный, автомобильный и авиационный рынки. Таким образом, на сегодня пользователями системы являются тысячи абонентов, которые живут или работают в удаленных районах, где отсутствует наземная связь, или путешествуют по всему миру. Спутники, Центр эксплуатации сети и Центр управления спутниками принадлежат Организации Инмарсат; земные станции - членам Организации Инмарсат; Система продолжает развиваться и является лидером среди персональных систем спутниковой связи в области высокоскоростной передачи данных (Стандарт Инмарсат М-4, BGAN).
4. 1 Inmarsat 21 Спутники Инмарсат В системе Инмарсат используются геостационарные спутники, которые "неподвижно висят" над заданными точками над экватором Земли. Кажущаяся неподвижность спутников достигается тем, что они обращаются по круговой орбите, совпадающей с плоскостью экватора Земли, с угловой скоростью вращения, равной скорости вращения Земли. На каждом спутнике имеются, по крайней мере, два ретранслятора, один из которых ретранслирует сообщения в направлении от Земных станций к терминалам, а второй - в обратном направлении. Спутники системы Инмарсат располагаются на геостационарной орбите на высоте 35 786 км. Состав системы ИНМАРСАТ Спутниковая система Инмарсат включает четыре основные части: • Космический сегмент: действующие и запасные спутники с ретрансляторами Сеть земных станций - ЗС (Land Earth Station - LES) • Абонентские подвижные земные станции, или терминалы, (Mobile Earth Station - MES) • Средства управления системой: - Центр эксплуатации сети (Network Operation Centre - NOC) - Центр управления спутниками (Satellite Control Centre - SCC)
4. 1 Inmarsat. Стандарты Inmarsat-M 4 Данный стандарт обеспечивает работу в Глобальной Сети (Global Area Network (GAN)), включая голосовую связь 4. 8 Кбит/с, факс и высокоскоростные данные (до 64 Кбит/с), ISDN, IPDS (Пакетная передача данных), доступ в Интернет, электронную почту, видеоконференцию. Inmarsat-C Стандарт двухсторонней низкоскоростной передачи данных посредством легких, переносных терминалов. Данный стандарт одобрен для использования в системе ГМССБ (глобальная морская система связи при бедствии и для обеспечения безопасности мореплавания), а также удобен для сбора информации с удаленных объектов и управления грузоперевозками. Имеет встроенный GPS. Inmarsat-D/D+ Обеспечивает низкоскоростную передачу данных при помощи терминалов размером с CD-плейер. Оборудованный приемником GPS, терминал D+ является идеальным средством управления транспортными перевозками, передачи коротких сообщений водителю и дистанционного управления и автономного снятия информации. 22 Inmarsat-phone Mini-M Стандарт, разработанный для работы по технологии зонального луча спутников Инмарсат-3. Терминалы данного стандарта являются малогабаритными, легкими и дешевыми. Имея размеры менее компьютера "ноутбук", их вес составляет около 2 -х кг. , цена - от $3000, а стоимость минуты разговора - от $2/мин. в любую точку мира. Разработаны версии для установки на автомобиль, ж/д вагон, стационарной установки, а также для установки на суда и яхты. Inmarsat-A Родоначальник, введенный в эксплуатацию в 1982 году. Предоставляет услуги телефонии, факсимильной и телексной связи в аналоговом режиме. Inmarsat-B Введенный в эксплуатацию в 1993 году, данный стандарт является цифровым аналогом стандарта Инмарсат-A. Обеспечивает весь спектр услуг стандарта Инмарсат-А, но по значительно более низким тарифам в связи с более рациональным использованием частотного ресурса.
4. 1 Inmarsat. Стандарты Inmarsat-E Услуга передачи сигналов спасения посредством радиобуев, отправляющих сигнал бедствия, с указанием координат через наземные станции спутниковой связи системы Инмарсат. Inmarsat-M Предшественник стандарта Инмарсат мини-М - первый в мире персональный портативный спутниковый телефон, обеспечивающий с 1993 года голосовую связь, передачу факсимильных сообщений с факса группы 3 и данные с терминала размером с «дипломат» . Inmarsat Aero-C Услуга по передаче низкоскоростных данных и сообщений о местоположении в авиации. Относительно дешевая услуга по передаче информации с/на борт самолета с одновременным позиционированием. Inmarsat Aero-H Эксплуатируется с 1990 года, предоставляя услуги голосовой, факсимильной связи и передачи данных на воздушных судах. Обеспечивает связь членов экипажа и пассажиров с любым абонентом. 23 Inmarsat Aero-I Стандарт, обеспечивающий голосовую, факсимильную связь и передачу данных посредством спутников 3 -го поколения для малой и средней авиации. Inmarsat Aero-L Авиационный стандарт, обеспечивающий обмен данными в реальном масштабе времени со скоростью 600 бит/с. Соответствует требованиям по безопасности ИКАО (Международная организация Гражданской Авиации) и органов управления воздушным движением. Inmarsat Aero Mini-M Разработан для небольших корпоративных самолетов и авиации общего назначения для обеспечения голосовой и факсимильной связи, а также передачи данных на скорости 2. 4 Кбит/с. Внешняя антенна подключается к терминалу, весящему около 4. 5 кг. Наиболее часто используется в районах, находящихся вне досягаемости УКВ связи.
4. 1 Inmarsat. Зона покрытия 24 Система спутниковой связи Инмарсат обеспечивает глобальное покрытие земной поверхности (около 98%). Четыре спутника третьего поколения Инмарсат-3 формируют перекрывающие друга зоны покрытия (не считая экстремальные полюсные зоны). Гарантированное покрытие обеспечивается в среднем от 70° ю. ш. до 70° с. ш.
4. 2 Thuraya 25 Частная акционерная компания "Thuraya Satellite Telecommunications Company" была основана в Объединенных Арабских Эмиратах в январе 1997 года для реализации проекта спутниковой подвижной связи. В составе ее акционеров находятся известные национальные операторы связи и финансовые институты стран Азии, Северной Америки и Европы. Разработчик и создатель системы "Турайя" - компания Boeing Satellite Systems, имеющая мировую известность в производстве самолетов и спутников.
4. 2 Thuraya 26 Перечень основных услуг, предоставляемых системой Турайя: • Голос • Факсимильная связь со скоростью 9. 6 Кбит/с • Передача данных со скоростью 9. 6 Кбит/с • Голосовая почта • Прием-передача SMS • Определение местоположения (встроенный приемник GPS). Особенности системы Турайя: Звонок внутри сети осуществляется без использования станции сопряжения, в любой точке зоны покрытия. Точное определение страны и границ зоны действия провайдеров, доступ в сеть и стоимость звонка основана на текущем местоположении абонента, определяемом при помощи GPS приемника. Международный код системы Турайя: + 88216 XXXX. Состав системы. Мобильная спутниковая система Турайя состоит из 3 -х основных компонентов: Спутниковый сегмент Наземный сегмент Абонентский
4. 2 Thuraya. Спутники “Турайя“ 27 Располагаются на геостационарной орбите. Срок службы спутников рассчитан на 12 -15 лет. Каждый спутник оснащен антенной с диаметром рефлектора в 12, 25 метра. Огромный рефлектор L-диапазона, совмещенный с процессором цифровой обработки сигнала, образует активную фазированную решетку, создающую более 200 локальных лучей и одновременно обрабатывающую 13 750 телефонных разговоров. Процессор цифровой обработки обладает вычислительной мощностью превышающую мощность 500 компьютеров на базе Core 2 Duo. Система образования луча, позволяет менять конфигурацию лучей в зоне покрытия путем расширения или увеличения количества последних. Она также позволяет концентрировать лучи в районах максимальной активности, увеличивая пропускную емкость и направлять до 20% общей мощности на любой из лучей. Энергопитание спутников осуществляется при помощи солнечных батарей состоящих из двух "крыльев" по 4 панели галий-арсенидных ячеек в каждом. Батареи мощностью 13 КВт заряжают аккумуляторы емкостью 250 А/часов. Длина солнечных панелей - 34, 5 метра, ширина 17 метров. Вес спутника - 5250 кг.
4. 2 Thuraya 28 Наземный сегмент. В футуристическом стеклянном здании, расположенном в Sharjah, UAE находится станция сопряжения (межсетевой шлюз) и система управления спутниковой группировкой Thuraya. При помощи гигантской антенной тарелки С-band диапазона, станция осуществляет прием/передачу информационного потока, вторая антенна служит для управления спутниками. На станции установлено оборудование для соединения наземных сетей с абонентскими терминалами, через спутник. Мощные компьютерные системы осуществляют контроль за соединениями, управляют энергетикой спутниковых лучей, производят биллинговые расчеты. Используемые частоты: Абонентский терминал – Спутник - Абонентский терминал Станция сопряжения – Спутник - Станция сопряжения 1626. 5 -1660. 5 МГц 1525. 0 -1559. 0 МГц 6425. 0 -6725. 0 МГц 3400. 0 -3625. 0 МГц
4. 2 Thuraya. Зона покрытия 29 Для более устойчивой связи необходимо, чтобы угол видимости спутника Турая был не менее 20 градусов. Thuraya Sattelite Telecommunications Company гарантируют качественную связь в системе Турая при видимости спутника не меньше 20 градусов. При видимости спутника меньше 20 градусов сигнал Турая может быть, но качество связи уже не гарантированное.
4. 3 Global. Star • • • 30 Система Глобалстар изначально формировалась как система, предназначенная для взаимодействия с существующими сотовыми сетями, дополняя и расширяя их возможности за счет осуществления связи за пределами зон покрытия, а также для стационарной связи в удаленных районах, где создание сотовой инфраструктуры либо инфраструктуры сети общего пользования по экономическим либо технологическим причинам нецелесообразно. Система Глобалстар обеспечивает бесперебойную спутниковую связь высокого качества на территории Земли от 70° южной широты до 70° северной широты. Система Глобалстар состоит из трех основных сегментов: космического, наземного и абонентского. Абонентский сегмент системы Глобалстар представлен следующими видами абонентских терминалов: портативными многомодовыми "трубками" (мобильными спутниковыми телефонами), аналогичными сотовым, имеющими сравнимые размеры, вес и функциональные возможности; автомобильными комплектами, включающими в себя антенну, усилитель, блок питания, динамики для громкой связи и монтажный набор, которые могут быть адаптированы к использованию с любым портативным терминалом в любом транспортном средстве - автомобиле, судне, самолете, и т. п. стационарными устройствами доступа, использующимися в основном для телефонизации удаленных объектов. К внешнему устройству доступа, располагающемуся на открытом пространстве, обычно подключается либо обыкновенный телефонный аппарат, либо малая офисная АТС, либо таксофон. Многомодовые абонентские терминалы при работе в пределах сотового покрытия автоматически устанавливают связь в сотовой сети соответствующего стандарта, а за пределами сотового покрытия связь осуществляется в спутниковом режиме. Космический сегмент системы Глобалстар включает 48 основных и 4 резервных спутников, весом около 450 кг каждый, размещенных на круговых орбитах в 8 плоскостях на высоте 1414 км по 6 спутников в каждой.
4. 3 Global. Star. Спутники Global. Star 31 Система Глобалстар состоит из 48 эксплуатационных и 8 запасных спутников. Низкоорбитальные спутники Глобалстар расположены намного ближе к Земле, чем спутники геостационарной орбиты Земли, на расстоянии 644 - 2575 км (400 -1600 мили) от Земли, что позволяет сократить как задержки при направлении звонков со спутника и на спутник, так и размеры телефонов и антенн. Каждый спутник весит приблизительно 450 кг и формирует перекрывающие друга зоны покрытия земного шара. Спутники: 48, плюс восемь запасных Оператор: Сотовые и другие системы связи Наклон орбиты: 52° Вес: 450 кг Срок службы: 7. 5 лет Высота: 1410 км (876 миль) Ввод в эксплуатацию: октябрь 1999 Межспутниковая связь: Каждый спутник связан со смежными спутниками, что обеспечивает действительно глобальную связь.
4. 3 Global. Star. Зона Покрытия Система Глобалстар обеспечивает бесперебойную спутниковую связь высокого качества на территории Земли от 70° северной широты, до 70° южной широты. 32
4. 3 Global. Star. Основные характеристики 33 Новейшие технологии связи, используемые в системе Глобалстар: • Речевой кодер с переменной скоростью и шумоподавлением. • Доступ с кодовым разделением (CDMA). • Мягкая эстафетная передача от луча к лучу, от спутника к спутнику. • Адаптивное управление мощностью бортового и абонентского передатчиков. Основные виды услуг: • подвижная и стационарная телефония; • передача данных; • факсимильная связь; Качественные показатели услуг связи системы Глобалстар • передача и прием коротких сообщений; Доступность системы в зонах до 70 o с. ш. • глобальный роуминг; Коэффициент ошибок передачи данных • голосовая почта; не более 1. 0 x 106 (BER) • вызов аварийных служб Задержка сигнала менее 150 мс • определение местоположения объекта. Дополнительные виды услуг: эквивалентно Качество передачи речи по средней цифровым сотовым • переадресация вызова; оценке мнений (MOS) системам • ожидание вызова; Время установления соединения в среднем 5 сек • удержание вызова; • запрет вызовов Вероятность потерь вызовов в часы менее 5% • определитель номера; наибольшей нагрузки (ЧНН) • антиопределитель номера; Защита от несанкционированного • трехнаправленный вызов. технология CDMA доступа
4. 4 Iridium Более 20 лет назад три инженера Моторолы открыли систему Иридиум. Проектные изыскания и разработка начались в 1987 году, в 1996 был запущен первый спутник Иридиум, и с тех пор проект разросся до группировки спутников, обеспечивающих, на сегодняшний день, голосовую и пейджинговую связь, а также прием/передачу компьютерных данных. Понадобилось 10 лет на воплощение проекта, включающего финансирование, официальное одобрение, и - в 1998 - запуск 66 спутников и введение коммерческих услуг. На сегодняшний день Иридиум предлагает портативный, беспроводной телефон, обеспечивающий глобальную мобильную связь. Головной офис Иридиум находится в Вашингтоне , хотя его филиалы разбросаны по всему миру. 34
4. 4 Iridium 35 Предоставляемые виды связи • • Глобальная спутниковая и местная сотовая связь. Глобальная портативная беспроводная связь. Авиационная связь и покрытие акваторий. Факсимильная связь (2. 4 кбит/с). Передача данных (2. 4 кбит/с). Роуминг в сотововых сетях. Глобальный спутниковый пейджинг. Спутники Низкоорбитальные спутники Иридиум расположенные намного ближе к Земле, чем геостационарные. Спутниковая орбита Иридиум находится на расстоянии 780 км (485 мили) от Земли, что позволяет сократить как задержки при направлении звонков со спутника и на спутник, так и размеры телефонов и антенн. Спутники системы Иридиум располагаются на шести орбитах, на каждой из которых по 11 спутников. Орбиты, пересекающие полюса Земли, в отличие от экваторных орбит, позволяют каждому из спутников облететь весь Земной шар. В дополнение к покрытию акваторий океанов, около полюсные орбиты позволяют клиентам Иридиум пользоваться связью даже в полюсных регионах.
4. 4 Iridium. Зона покрытия 36 Каждый спутник имеет 48 сфокусированных лучей, что повышает качество передачи сигнала и эффективность используемого спектра. Энергетический запас линии связи, в среднем, 16 д. Б - голосовые, факсимильные сообщения и компьютерные данные. Каждый спутник связан с соседними спутниками, обеспечивая тем самым действительно глобальную связь. Карта зон покрытия Группировка спутников
Спутник.ppt