Спутниковая радиосвязь

Спутниковая радиосвязь — это вид космической радиосвязи, основанный на применении в качестве ретрансляторов искусственных спутников Земли.

Принцип работы спутникового канала связи включает три основные составляющие:

• Передающая земная станция. Информация от неё направляется к спутнику по восходящей линии связи в виде высокочастотного мощного сигнала.
• Спутник связи. Космический аппарат принимает сигнал, усиливает его, изменяет его частоту для передачи на принимающую земную станцию.
• Принимающая земная станция. После этого сигнал с изменённой частотой направляется по нисходящей линии связи к принимающей земной станции, расположенной в зоне покрытия спутника.

Некоторые виды спутниковой связи:

• Фиксированные спутниковые службы. Наземное оборудование используется в специально отведённых местах для приёма и трансляции сигналов.
• Подвижные спутниковые службы. Предоставляют услуги связи морским, авиационным, сухопутным подвижным системам при участии различных приёмных, передающих переносных устройств.
• Вещательные спутниковые службы. Обеспечивают высокую мощность передачи для приёма, используя малое количество наземного оборудования. Применяются для телевидения, а также широкополосных приложений.

Современное оборудование позволяет организовывать радиосвязь (как между фиксированными, так и между мобильными абонентами) с помощью спутников связи, находящихся друг от друга на расстоянии до 10–15 тыс. км на круговых или эллиптических орбитах с разным периодом обращения, различающихся углом наклонения плоскости орбиты к плоскости земного экватора, удалением от Земли и др. Орбиты условно подразделяют на низкие околоземные (до 2 тыс. км), средние околоземные (20 тыс – 35,786 тыс. км) и высокие эллиптические (апогей свыше 35,786 тыс. км).

Выделяют геосинхронную орбиту – орбиту вращающегося вокруг Земли спутника, на которой период обращения равен звёздному периоду вращения Земли – 23 ч 56 мин 4,1 с. Её частный случай – геостационарная орбита – круговая орбита, лежащая в плоскости земного экватора на удалении 35,786 тыс. км от уровня моря, – особенно удобна для телекоммуникационных ИСЗ, т. к. спутники, вращаясь вместе с земным шаром, как бы висят над одной точкой Земли, что упрощает наведение направленных приёмных антенн земных радиостанций. Три спутника, находящиеся на орбите на расстоянии 120° друг от друга, обеспечивают связь по всей территории Земли от 72° с. ш. до 72° ю. ш. между земными станциями при высоте антенн 1,5–2 м. При этом арктические и антарктические области оказываются в зонах радиотени геостационарных спутников, обусловленной кривизной поверхности Земли (для установления радиосвязи в этих районах необходим подъём антенн земных станций на значительную высоту). Для обслуживания северных территорий запускают спутники на высокоэллиптические орбиты (3–4 спутника одновременно на орбите с апогеем 40 тыс. км и перигеем 500 км).

Основной недостаток спутниковой связи, использующей высокие орбиты, – большое время распространения сигнала, затрудняющее обмен телефонными сообщениями (задержка составляет около 0,6 с между посланным и ответным сигналами при каждой передаче «Земля – космос – Земля»). Такая задержка неважна для командных и вещательных систем, поэтому одно из главных применений спутниковой связи – передача сигналов телевизионного и звукового вещания. Сокращение времени распространения радиосигнала возможно лишь при уменьшении высоты орбиты, что обусловило создание низкоорбитальных систем спутниковой связи с десятками (Iridium) и сотнями (OneWeb, Starlink) спутников, распределённых на нескольких орбитах, что позволяет обеспечить мобильную связь и передачу данных (спутниковый Интернет) по всему земному шару, включая околополюсные территории.

Обеспечение спутниковой связи требует специфической координации радиочастотных полос, выделенных Международным союзом электросвязи с учётом взаимовлияния как сетей спутниковой связи, так и спутниковых и земных систем радиосвязи.

Виды спутниковой связи

Современные спутниковые системы связи можно классифицировать по типу используемых орбит:
• системы на геостационарной орбите;
• системы на низких круговых орбитах;
• системы на высокоэллиптических орбитах.

Коммерческое применение спутниковой связи началось с космических аппаратов на геостационарной орбите. Их главное преимущество – «неподвижность» космического аппарата относительно поверхности Земли, что позволяет создавать стабильные зоны обслуживания. Основной недостаток – большая высота орбиты (около 36 тысяч километров), что предъявляет высокие требования к энергетике спутников и земных станций и вызывает бо́льшую задержку сигнала.

Есть два основных типа геостационарных космических аппаратов по типу организации зон обслуживания:
• КА с контурными зонами обслуживания (их еще называют традиционными или классическими);
• КА с многолучевыми зонами обслуживания (другое название — HTS, от английского high-throughput satellite – спутник с высокой пропускной способностью).

Традиционные спутники имеют несколько больших контурных лучей. Переиспользование частот возможно только в разных региональных лучах, находящихся друг от друга на достаточном расстоянии, чтобы обеспечить развязку. В итоге суммарный частотный ресурс, предоставляемый спутником, можно увеличить главным образом за счет поляризационного уплотнения. У HTS зона покрытия разделена на участки, каждый из которых закрывается собственным маленьким сфокусированным лучом. Каждый луч закрывает несколько процентов от зоны покрытия обычного спутника. Узконаправленные лучи обеспечивают многократное повторное использование частот по сравнению с одним или несколькими обычными лучами. HTS-лучи имеют угловую ширину от 0,2° до 1,5°. Количество лучей, доступных на спутнике, — от нескольких десятков до нескольких сотен. И частотный ресурс может превышать рабочую полосу в десятки и сотни раз.

В настоящее время используются оба типа геостационарных КА, при этом контурные спутники оптимально использовать для телевещания, VSAT-приложений, а HTS — для передачи данных и интернет-сервисов.

В последние годы большое развитие получили системы спутниковой связи на низких круговых орбитах. Данные системы в основном обеспечивают глобальное покрытие всего земного шара и состоят из сотен, тысяч или даже десятков тысяч космических аппаратов. Основные преимущества таких систем — низкое время задержки распространения сигнала и небольшая энергетика абонентских терминалов, что позволяет делать их достаточно миниатюрными. Основные недостатки — огромные капитальные затраты на создание таких систем и необходимость отслеживать положение спутников антеннами абонентских терминалов, что увеличивает их сложность.

Системы спутниковой связи на высокоэллиптических орбитах интересны, прежде всего, для стран, находящихся в приполярных широтах, поскольку связь со спутниками на геостационарной орбите из этих районов отсутствует или нестабильна.

Архитектура сетей спутниковой связи
Есть различные способы организации спутниковых сетей связи, к самым распространенным относятся:

• односторонняя передача данных — к этой группе относится радио- и телевещание, когда сигнал ретранслируется всем подключённым пользователям в зоне покрытия конкретного космического аппарата (характерна для традиционных КА);
• двухсторонняя передача данных «точка – точка», когда стационарные земные станции обмениваются данными напрямую через спутник;
• двухсторонняя передача данных в системе «Звезда»: требуется центральная земная станция (Телепорт). Весь трафик от передающих земных станций сначала идет через КА на Телепорт, затем с Телепорта через КА — на принимающие земные станции (характерно для многолучевых КА).
  

Орбиты ретрансляторов

Орбиты для размещения спутниковых ретрансляторов классифицируются как:

1. Экваториальные (наклонение равно 0º)
Орбита, где расположены спутники-ретрансляторы, носит название геостационарной и выступает разновидностью экваториальной орбиты. Здесь спутник совершает вращение с угловой скоростью, эквивалентной скорости вращения Земли, в направлении, которое не отличается от направления вращения планеты.

Достоинства геостационарной орбиты:
● Приемное устройство, расположенное в зоне обслуживания, постоянно «видит» спутник в одной и той же точке;

● Ограниченная емкость, не позволяющая разместить все желаемые спутники;

● Большая высота (35 786 м), приводящая к значительным затратам при выведении на нее спутника, а также задержкам при передаче данных;

● Невозможность обслуживания спутниками приполярных Земных станций из-за падения плотности потока мощности в точке приема сигнала по направлению от экватора к полюсам.

2. Наклонные (наклонение, отличное от 0º)
Позволяют устранить недостатки, характерные для геостационарной орбиты, но требуют запуска не менее трех спутников на одну орбиту из‑за перемещения последних относительно наземного наблюдения для обеспечения постоянного доступа к связи.

3. Полярные (наклонение составляет 90º)
Предельный вариант наклонной орбиты, подразумевающий оборудование Земных станций системами слежения, применяемыми для наведения антенны на спутник и его дальнейшее сопровождение.

Множество спутников находится на наклонных или полярных орбитах, где стоимость вывода на них спутника ниже, а передатчику не нужна высокая мощность, однако такой способ требует как большого количества спутников, так и множества наземных коммутаторов.

Частотные диапазоны спутниковой связи

Используемые для осуществления спутниковой связи частоты разделяют на несколько диапазонов:

C-диапазон
Используется в фиксированной спутниковой связи с частотой 4−6 ГГц. Обеспечивает высокую мощность передачи для широких географических зон. Прием требует большого количества дополнительного наземного оборудования.

Ku-диапазон
Также применяется для фиксированной спутниковой связи, вещания, работает на частотах 11−14 ГГц. Используется для меньших географических областей, чем диапазон С, сохраняя высокую мощность передачи без необходимости использования многочисленного стороннего оборудования.

L-диапазон
Частота, с которой производится работа в данном диапазоне, составляет 1.5 ГГц. Незаменим для подвижной спутниковой связи, используется на судах, в авиации с применением различных типов наземного оборудования.

Ka-диапазон
Частотный спектр диапазона простирается от 26.5 до 40 ГГц. Используется в системах радиолокации, спутниковой связи, дорожных радарах ДПС. Разделен на три поддиапазона, определяющих разделение Ku-конвертеров по типам.

S-диапазон
Диапазон частот 2−4 ГГц, применяемый для РЛС, цифрового радио, спутниковых систем связи, мобильных телекоммуникаций, поддержки космических аппаратов. Представлен несколькими поддиапазонами, имеющими различия согласно региону вещания.

X-диапазон
Частотный диапазон занимает полосу от 8 до 12 ГГц. Одна его часть используется для фиксированной правительственной, а также военной спутниковой связи, часть занята дальней космической связью. Широко распространен в радиолокации.

K-диапазон
Существует на частотах от 18 до 26.5 ГГц. Применяется в радиолокации, спутниковой, военной связи. Использование диапазона для нужд радиосвязи ограничено из-за наличия высокой степени поглощения радиоволн образующимся в атмосфере водяным паром.