Спутниковая связь: принцип действия, зона покрытия, характеристики каналов и тарифные планы. Спутниковый телефон: возможности и характеристики

Связной спутник может быть выведен на низкую околоземную орбиту, на околоземную орбиту промежуточной высоты или на геостационарную орбиту, высота которых над поверхностью Земли составляет (в порядке перечисления) около 1000, 10 000 и 36 000 км. Орбита первого типа проходит ниже двух радиационных поясов Земли, второго типа – между ними, а третьего – выше их. См. АТМОСФЕРА .

На геостационарной орбите спутник совершает один оборот вокруг Земли ровно за сутки. Поскольку за это время Земля совершает тоже один оборот вокруг своей оси, спутник кажется неподвижным на экваторе. Главное преимущество геостационарной орбиты в том, что антеннам наземных радиостанций не требуется отслеживать спутники, движущиеся по небосводу; нужно лишь наводить антенну всегда в одну точку на протяжении срока службы спутника. Крупным же ее недостатком является задержка примерно на четверть секунды между передачей радиосигнала одной наземной радиостанции и приемом – другой, возникающая из-за больших расстояний, которые должен проходить сигнал.

Главное преимущество околоземной орбиты меньшей высоты в том, что для вывода на нее требуется менее мощный носитель. Поскольку расстояние от наземной радиостанции до спутника меньше, оборудование спутника может быть менее мощным. Однако спутники на таких орбитах движутся относительно наземных радиостанций, поэтому для обеспечения непрерывности охвата необходимы следящие антенны и нельзя обойтись одним-единственным спутником.

Технические средства.

Для спутниковой связи необходимы технические средства трех видов: спутники, наземные радиостанции и ракеты-носители для вывода на орбиту. Эти технические средства несколько различаются в зависимости от типа орбиты, на которую выводится связной спутник.

Спутники.

Связной спутник состоит из ракетного блока, обеспечивающего питание, управление полетом и контроль бортовых систем, и блока связного оборудования, назначение которого – прием, усиление и ретрансляция сигналов с Земли. Многие связные спутники стабилизируются вращением вокруг одной оси. Такой спутник, подобно гироскопу, сохраняет неизменной свою ориентацию в пространстве. Кроме того, вращение способствует поддержанию равномерного распределения температуры по всему объему спутника. Применяются также спутники с трехосной стабилизацией, осуществляемой при помощи маховиков (гиродинов) и ракетных двигателей малой тяги. Спутники с трехосной стабилизацией несколько сложнее стабилизируемых вращением, но их солнечные батареи способны вырабатывать больше электроэнергии, а антенны легче направить на наземные радиостанции. Солнечные батареи (см. БАТАРЕЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ) покрывают всю поверхность вращающихся связных спутников либо располагаются на специальных раскладных панелях трехосно-стабилизируемых спутников и преобразуют в электроэнергию около 20% энергии падающего на них солнечного света. Солнечные батареи небольшого спутника вырабатывают примерно 1 кВт электроэнергии, что соответствует мощности, потребляемой десятью 100-Вт электролампами. На более крупных спутниках 1990-х годов солнечные батареи вырабатывали до 10 кВт.

Наземные радиостанции.

Наземные станции спутниковой системы связи передают радиосигналы на спутники и принимают сигналы от них. Спутниковый передатчик 1990-х годов передавал в среднем примерно 20–40 Вт на один ретранслятор (устройство, принимающее и передающее радиосигнал). Это намного больше мощности типичного телефона сотовой связи (0,5 Вт), но радиосигнал спутника должен пройти расстояние до 36 000 км и может содержать до 1000 телефонных разговоров. Поэтому приемная система наземной радиостанции должна быть в миллиард раз более чувствительной, чем приемная станция сотовой телефонной связи, а это значит, что необходимы антенны больших размеров и приемники с очень низким уровнем шума. На заре спутниковой связи наземные радиостанции снабжались огромными антеннами диаметром до 30 м. В 1990-х годах на наземных станциях использовались «антенны очень малого раскрыва» (VSAT – very small aperture terminal) диаметром 1–2 м и более крупные антенны диаметром 2–10 м; получили распространение также бытовые телевизионные антенны диаметром 45–60 см.

Ракеты-носители.

Ракета-носитель выводит спутник на заданную околоземную орбиту. За отдельными исключениями, почти все ракеты-носители связных спутников разрабатывались на основе старых межконтинентальных ракет (см. РАКЕТНОЕ ОРУЖИЕ), созданных в 1950-х годах. Новые ракеты-носители появились в 1980-х годах. Первыми носителями, которые разрабатывались не как баллистические ракеты военного назначения, были американский многоразовый воздушно-космический аппарат (MBKA) «Шаттл» и ракета «Ариан», разработанная Европейским космическим агентством. «Шаттл» предназначался главным образом для обслуживания программы пилотируемых космических полетов НАСА, а ракета «Ариан» – в первую очередь для запуска связных спутников. После того как в 1986 взорвался MBKA «Челленджер», НАСА прекратило коммерческие запуски. В результате к системе «Ариан» перешла львиная доля контрактов на запуски связных спутников. В 1990-х годах на коммерческий рынок вышли также китайская ракета «Великий поход» и российская – «Протон». Путь «Великого похода» был отмечен авариями; что касается «Протона», то его номинальная надежность (95%) и большая масса спутника (4 т) предвещали ему коммерческий успех.

Запуск – это момент наибольшего риска на протяжении срока службы связного спутника. Общая вероятность благополучного запуска составляет около 90% (для конкретных ракет-носителей она меняется в пределах от 70 до 95%). Таким образом, в среднем 10% всех запусков оказываются неудачными и заканчиваются потерей спутника.

Состояние и перспективы развития.

С конца 1990-х годов компания «Комсат» (Communications Satellite), осуществляющая запуски связных спутников в США, оказалась перед перспективой сильнейшей конкуренции со стороны общественных телефонных систем. Дело в том, что волоконно-оптический телефонный кабель обеспечивает высокое качество сигнала, не вносит задержки времени и примерно равен по затратам спутникам (см . ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА). Стало ясно, что со временем такие кабели для прямой связи (без переприемов) будут требовать меньших затрат, чем спутники. Однако компания «Комсат», зона действия спутников которой охватывает океаны, полагала, что для вещательной передачи телевизионного сигнала, речевого сигнала и цифровых данных спутники больше подходят, нежели кабельная связь, если не считать крупных городов. Кроме того, спутниковая связь представляется более экономичной, чем кабельная, при обслуживании малочисленных разбросанных пользователей, например телефонных абонентов в сельской местности.

В 1976 министерство ВМС США инициировало серию запусков связных спутников «Марисат» для обслуживания морских судов (см. ВОЕННО-КОСМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ), и это привело к созданию Международной организации морской спутниковой связи «Инмарсат», которая начала действовать в 1982. Когда организация «Инмарсат» запустила более мощные спутники, у них нашлись и сухопутные пользователи в отдаленных областях. Возник рынок мобильной спутниковой связи – с подвижными сухопутными объектами. К концу 1990-х годов он был освоен. Компания «Америкен мобил сателлайт» (AMSC) запустила геостационарный спутник мобильной связи для обслуживания абонентов Северной Америки. Компания «Иридиум» к концу 20 в. создала сеть из 20 спутников на низких околоземных орбитах, которая обеспечивала бы сотовую мобильную связь на суше в масштабах всего земного шара, а также запустить спутники того же назначения на орбиты промежуточной высоты.

Экономические факторы и государственное регулирование.

Развитие спутниковой связи определяется в первую очередь экономическими факторами, хотя важную роль играет и политика. Сначала главной сферой применения связных спутников представлялась речевая связь, затем упор стали делать на телевидение, а к концу 20 в. начала бурно развиваться передача цифровых данных.

Первоначальным крупным экономическим стимулом развития спутниковой связи явилось то, что спутники могли обеспечивать прямую (без переприемов) трансокеанскую связь при значительно меньших затратах, чем коаксиальные подводные кабели, проложенные в 1950–1960-х годах. Разница в затратах тогда была более чем десятикратной, но она исчезла в конце 20 в. Поскольку кабель вносит меньшую задержку времени, он больше подходит для речевой (телефонной) связи. В конце 1990-х годов по волоконно-оптическому кабелю можно было передавать почти все трансокеанские телефонные сигналы.

В конце 1970-х годов начался взрывоподобный рост кабельного телевидения со спутниковой ретрансляцией. К концу 20 в. большинство населения земного шара получило возможность приема многочисленных телевизионных каналов, адресно предоставляемых компаниями кабельного телевидения, которые сами принимают их через космические ретрансляторы компаний спутниковой связи. Вся спутниковая связь, без учета спутников «Интелсат», почти на две трети использовалась для телевизионного вещания.

В конце 1970-х годов начали также возникать частные спутниковые сети, целиком обслуживающие одну компанию. Благодаря появлению «антенн очень малого раскрыва» VSAT компании получили возможность устанавливать связь между всеми своими офисами посредством антенн диаметром 3–6 м. Такие сети использовались главным образом для обмена цифровыми данными. Даже телефонные разговоры, как правило, передавались в цифровой форме. С помощью антенн VSAT и большего диаметра в 1970-х годах обеспечивалась телефонная связь с поселками на Аляске. В 1990-х годах спутники впервые были применены для «сельской» телефонии во всем мире. В некоторых экспериментах спутниковая ретрансляция выполняла функции протяженных телефонных линий, а сотовая – функции местных шлейфов.

Запущенные в космос спутники связи, как правило, поступают на геостационарные орбиты, то есть они летают со скоростью вращения Земли и оказываются в неизменном положении по отношению к поверхности планеты. Циркулируя на высоте 22 300 миль над экватором, один такой спутник может принимать радиосигналы с одной трети планеты.

Первоначальные спутники, такие как Эхо, запущенный на орбиту в 1960 году, просто отражали направленные на них радиосигналы. Усовершенствованные модели не только принимают сигналы, но и усиливают их и передают в указанные точки земной поверхности. Со времен запуска первого коммерческого спутника связи INTELSAT в 1965 году эти устройства значительно усложнились. Последняя модель спутника, работающего на солнечной энергии, оперирует с 30 000 телефонными звонками или обслуживает четыре телевизионные передачи одновременно. Сигналы поступают с антенн станции связи Земля-ЛА и принимаются транспондером спутника. Этот электронный прибор усиливает сигнал и переключает его на антенну, которая передает его на ближайшую станцию связи ЛА-Земля. С целью избежать интерференции, идущие вверх и вниз сигналы передаются на различных частотах.

Запущенные на геостационарные орбиты, три спутника INTELSAT (слева) осуществляют передачу длинноволновых радиосигналов по всему миру. Обслуживая регионы бассейнов Тихого, Индийского и Атлантического океанов, спутники делают возможной высокоскоростную телефонную, телевизионную и телеграфную связь. В этом отношении проигрывают радиосигналы высоких частот, поскольку они отталкиваются от заряженных частиц, составляющих слои Е и F атмосферы.

Эта параболическая антенна может принимать даже очень слабые сигналы со спутника, большинство подобных систем могут так же служить для связи Земля-ЛА.

INTELSAT-6

Радиосигналы, поступающие к спутнику, на длительном пути постепенно слабеют до такого уровня, что едва ли могут быть переданы обратно на Землю. Спутники типа INTELSAT, модель которого приводится вверху, усиливают поступающие сигналы, используя энергию солнечных батарей. Каждый спутник также имеет запас твердого горючего, позволяющего ему придерживаться своей орбиты.

На рисунке сверху статьи:

1. элемент солнечной батареи электропитания
2. параболические рефлекторы
3. параболические рефлекторы
4. параболические рефлекторы
5. параболические рефлекторы

Как и наземные антенны, эта спутниковая антенна состоит из зубовидного устройства, называемого первичным эмиттером, и рефлектирующего параболического щита. Два элемента этой системы обеспечивают принятие поступающих радиоволн и уничтожение чужеродных волн.

Станции, расположенные на поверхности планеты, взаимодействуют с INTELSAT через огромные, в 30 футов шириной параболические антенны, подобные той, что показана на илл. сверху.

СПУТНИКОВАЯ СВЯЗЬ

На прошедшем салоне МАКС-2001 за громом показательных полетов российских пилотов спутниковые проекты привлекали внимание только ограниченного круга посетителей. Тем не менее сегодня это передовой край прикладных исследований в области новых технологий при создании противоракетной обороны (ПРО), нанотехнологий и микроспутников. При этом если ПРО и нанотехнологии - область деятельности ведущих фирм в развитых странах, то создание микроспутников - доступный способ выхода в космос для всех стран, стремящихся не отстать от передовых государств.

Система связи спутника "Рубин-2"

Создание новых глобальных спутниковых систем типа Iridium и Globalstar привело к освоению производства спутников большими сериями. Сегодня в космосе развернуты системы связи, в которых число спутников измеряется десятками. Техника производства и запуска спутников все более совершенствуется. На 2007 г. NASA планирует запуск сразу 98 спутников с помощью одной ракеты. Этот эксперимент поможет разрешению ключевой задачи физики магнитосферы - построению количественной схемы развития магнитосферной суббури. Детали этой программы можно найти на сайте stp.gsfc. nasa.gov/magcom.htm.

Важнейшими при запуске микроспутников являются вопросы управления и связи, вернее, передачи данных (телеметрии) c борта космических аппаратов. Если для спутников на круговых, полярных орбитах высотой до 1000 км можно обойтись простыми средствами, то с удалением спутников на расстояния в несколько тысяч километров связь становится ключевой проблемой. Для микроспутника массой 10-20 кг и мощностью энергетической установки не более 15-20 Вт обеспечение устойчивой связи простыми средствами представляется весьма трудной задачей. И тут вполне подходят приемы и опыт организации наземной сотовой связи в комбинации с системами спутниковой связи. Очевидный шаг в этом направлении - использование систем Globalstar и Orbcomm для связи с микроспутниками. Именно такие “связные” эксперименты заложены в программу по микроспутникам, выполняемую ведущими американскими университетами на деньги ВВС США (см. www.nanosat.usu.edu).

На МАКС-2001 один из таких микроспутников “Рубин-2” представила фирма OHB-Systems (www.fuchs-gruppe.com/ohb-systems), входящая в Fuchs Gruppe и занимающаяся космическими аппаратами около 10 лет. Первым итогом ее деятельности стал малый спутник “Сапфир”. “Рубин-2” является результатом продолжения этих работ и нацелен на выполнение целой серии технологических и связных экспериментов. Программа создания микроспутника “Рубин-2” имеет интересные показатели: от момента начала разработки до запуска - 10 месяцев, масса спутника - всего 30 кг, предполагается запуск с помощью конверсионной ракеты “Днепр” вместе с другими микроспутниками. Спутник имеет трехосную ориентацию, которая включает магнитную кольцевую систему и шесть солнечных датчиков. В кооперации с итальянской фирмой Carlo Gavazzi (www.carlogavazzi.com) на спутнике будут установлены солнечные батареи нового типа, электрический микродвигатель, GPS-приемник, новые литиево-ионные батареи, лазерное зеркало.

В качестве основной схемы связи для микроспутника “Рубин-2” выбрана система Orbcomm. Она позволяет решить сразу две задачи - обеспечить глобальную связь с микроспутником и избавиться от необходимости создавать свою наземную инфраструктуру контроля и управления спутником. Экономическая выгода такого подхода очевидна, а использование Интернета гарантирует надежность исполнения управляющих команд. В дополнение к терминалу Orbcomm на спутнике имеется система пакетной связи Safir-m, которая уже была испытана на предыдущих микроспутниках, изготовленных и запущенных компанией OHB-Systems несколько лет тому назад. На рисунке представлена схема связных экспериментов на микроспутнике “Рубин-2”. Основной канал управления работает через систему Orbcomm, сброс служебной информации осуществляется через пакетный канал со скоростью 9600 бит/с.

В заключение следует отметить, что фирма OHB-Systems самым тесным образом связана с российскими организациями, ведущими эксперименты в космосе. В предыдущие годы фирма выполнила ряд совместных экспериментов с ОКБ МЭИ, у нее есть свой офис в Москве. В планах всех космических организаций число разработок микроспутников увеличивается. Это в полной мере относится как к Германии, так и к России, и логично ожидать, что скоро появятся совместные работы в этом направлении. Посмотрим, что будет представлено на МАКС-2003.