1-5-1. Системы связи с ИСЗ
1-5-1. Системы связи с ИСЗ |
Возможность создания спутниковых систем связи появилась после запуска в Советском Союзе первого искусственного спутника Земли в 1957 году. Концепция спутниковых систем связи заключается в том, что на спутнике, находящемся на околоземной орбите устанавливается ретранслятор, состоящий из приемопередающего оборудования. Ретранслятор принимает сигнал с земной станции, обрабатывает его и пересылает обратно в направлении Земли, обеспечивая связь на очень большие расстояния, что позволяет строить глобальные системы связи. Важным моментом при этом является выбор орбиты, на которой находится спутник. Для целей связи различаются три основных вида орбит - высокоэллиптическая, стационарная и низкая круговая. Подробно о спутниковых системах можно познакомиться на сайте http://www.xserver.ru/computer/nets/razn/94/.
Высокоэллиптическая орбита
Высокоэллиптическая орбита была применена при создании в 1965 году всесоюзной системы связи "Орбита", предназначенная для трансляции программы центрального телевидения по территории нашей страны. Первая программа формировалась в Москве, а четыре её дубля, в зависимости от часовых поясов, в записи транслировались в соответствующую зону. Система «Орбита» базировалась на спутниковой системе «Молния-1» (рис. 1-5-3) . Количество приёмных станций (рис. 1-5-4) было доведено до 69
Рис. 1-5-2
Рис.1-5-3
Связной спутник имел две параболические антенны (рабочую и резервную), комплект приемопередатчиков, корректирующую двигательную установку с запасом топлива и шестилепестковую панель солнечных батарей. Положение спутника на орбите корректировалось при помощи системы ориентации так, чтобы панели солнечных батарей располагались но нормали относительно солнечных лучей, а рабочая антенна смотрела в заданные районы Земли. При выходе из строя рабочей антенны спутник поворачивался на 180 градусов и начинала функционировать резервная антенна.
Рис. 1-5-4
Приемная станция располагалась в здании, как правило, круглой формы, на крыше которой монтировалась двенадцатиметровая параболическая антенна, снабженная системой слежения и ориентирования. Приемник выполнялся на параметрическом усилителе, охлаждаемым жидким азотом.
Основное достоинство высокоэллиптической орбиты заключается в относительно дешевом запуске спутников, без сложных маневров в космосе. Кроме того, данная орбита позволяла обслуживать практически всю территорию Советского Союза. К недостаткам же орбиты можно отнести небольшое расстояние до поверхности Земли в перигее (порядка 500 км). На этой высоте имеется атмосфера, которая тормозит спутник на каждом витке. Если не применять коррекцию орбиты, высота ее достаточно быстро уменьшиться и спутник сгорит в атмосфере. Для продления срока жизни спутника на нем имеется корректирующая двигательная установка и продолжительность функционирования системы зависит от топливного ресурса. Еще одним недостатком данной орбиты является необходимость слежения за спутниками земными станциями, поскольку они перемещаются относительно поверхности Земли. Поэтому земные станции представляют собой сложные, дорогие и громоздкие сооружения, которые используются для коллективного приема сигналов.
Круговая стационарная орбита
Круговая стационарная (геостационарная) орбита располагается в плоскости экватора (рис. 1-5-5). Такая орбита еще носит название синхронная, так как угловая скорость перемещения спутника соответствует угловой скорости вращения Земли. Следовательно, спутник, находящийся на этой орбите неподвижен относительно земного наблюдателя. В этом случае для организации связи нужно просто навести антенны земных станций по азимуту и углу места на точку, в которой располагается данный спутник. Это позволяет строить дешевые земные станции (как передающие, так и приемные).
.Рис. 1-5-5
Огромное количество спутников, обладающих возможностью ретрансляции больших объемов информации, выведено на эту орбиту. Посмотрите следующий пример.
Основной недостаток геостационарной орбиты - ее уникальность. Она единственная в своем роде и, поэтому, распределена между государствами.
Второй недостаток заключается в том, что орбита не идеально круглая из-за неидеальности формы земного шара. Это приводит к тому, что спутники стремяться к перемещению по орбите. Если не применять никаких мер, спутники сгруппировываются в четырех точках орбиты с координатами долготы 75,3°E, 104,7°W, 165,3°E, и 14,7°W над экватором Земли. Кроме того, возможно смещение спутников относительно плоскости экватора. Для коррекции положения спутников на орбите приходится их снабжать двигательными установками, ресурс топлива который и обеспечивает продолжительность функционирования оборудования. Причем, по окончании срока службы оборудования, на спутнике должен оставаться топливный ресурс для его перевода на орбиту "захоронения".
Третий недостаток орбиты - невозможность обеспечения связи в высокоширотных районах Крайнего Севера (Арктики) и Антарктиды, где угол места мал и, практически спутники не видны за горизонтом.
Еще один недостаток орбит, при которых спутник удален на большое расстояни, - большое время прохождения сигнала (большая задержка), которая может достигать секунды с учетом задержек в мультиплексорах, коммутаторах и устройствах обработки. Это приводит к большим неудобствам при общении, работы в on-line режимах, в режимах удаленного управления и пр.
Для России существенным недостатком является сложный и дорогой запуск спутников и вывод их на орбиту с промежуточным маневрированием в космосе..
Рис. 1-5-6
На рис. 1-5-7 и 1-5-8 показаны основные платформы, на которых базируются связные спутники. В платформе HS-276 спутник выполнен в виде цилиндра, по образующей которого располагаются солнечные батареи. Для стабилизации положения спутника в пространстве используется гироскопический эффект, для чего при выводе на орбиту ему придается вращение относительно центральной оси. Антенный отражатель вместе с блоком облучателей вращается в противоположном направлении с той же скоростью, так, чтобы антенна была бы направлена в сторону Земли, обеспечивая связь.
Рис. 1-5-7
Еще одна распространенная спутниковая платформа HS-601 не использует гироскопический эффект. Для стабилизации положения спутника в пространстве применяется набор корректирующих двигателей. На спутнике могут располагаться десятки транспордеров для ретрансляции сигналов в разных диапазонах частот и набор антенн различной конфигурации. Габариты спутника исчисляются метрами, а размах панелей солнечных батарей может достигать 20 - 25 метров. На спутниках имеются совершенные системы терморегулирования, которые обеспечивают работоспособность оборудования при изменении окружающей температуры от космического холода в тени и нагрева поверхности при солнечном освещении (от -270 до +140 градусов). Современные разработчики спутникового оборудования обещают довести срок службы спутников до 25 лет
Рис. 1-5-8
Низкоорбитальные системы связи
Ряд спутниковых систем связи работают с орбитами, находящимися от поверхности Земли на расстоянии 700 - 1600 км. На таких орбитах развернуто несколько систем индивидуальной связи. Это такие структуры как "Инмарсат", " Турайя", отечественные системы типа "Гонец" и пр. Одними из самых известных комплексов являются системы "Глобалстар" (Global Star) и "Иридиум" (Iridium).
"Иридиум" - это самая первая в мире сеть низкоорбитальной мобильной спутниковой связи, появившаяся еще в 1998-м году. По сравнению с другими спутниковыми сетями, зона обслуживания Иридиум обеспечивает 100%-е покрытие планеты и не имеет "белых пятен" - спутниковые телефоны Иридиум работают в любой стране мира, во всех морях и океанах, в полярных областях Земли. Спутники Иридиум находятся на высоте 780 км над поверхностью Земли, что в 46 раз ближе, чем геостационарные спутники. Высота орбиты в спутниковой сети Иридиум - самая маленькая среди других сетей спутниковой связи. Малое расстояние до спутников позволило уменьшить время задержки сигнала и размеры самих спутниковых телефонов, сделав их в свое время самыми маленькими спутниковыми телефонами в мире
Космический сегмент Иридиум состоит из 66-ти низкоорбитальных спутников, размещенных на 6-ти приполярных орбитах (орбиты проходят почти над полюсами Земли). В сети реализован уникальный механизм межспутниковых связей, который используется для передачи сигнала с одного спутника на другой без необходимости ретрансляции этого сигнала на Землю. Межспутниковые связи Иридиум теоретически позволяют этой сети функционировать при наличии всего лишь одной станции сопряжения, на которую будут поступать все абонентские звонки.
Технические данные о космическом сегменте Иридиум:
Система связи Иридиум применяет технологию сходную с технологией сотовой связи GSM.
Система Глобалстар ( http://www.morsputnik.ru/globalstar/ ) состоит из трех сегментов: космического (группировка низкоорбитальных спутников связи), наземного (станции сопряжения, управления и контроля) и пользовательского. Космический сегмент отрегулирован таким образом, что наилучшее качество связи имеют абоненты, находящиеся в средних широтах. Пользователи, находящиеся в приполярных районах, могут отмечать помехи в сигнале, так как зона охвата системы Глобалстар ограничена 79 градусами южной и северной широты. Globalstar не работает на Северном полюсе и в Антарктиде, невозможно использовать аппараты системы на севере России и в Гренландии. Высота орбит чуть больше 1400 км при времени задержки сигнала порядка 60 мс.
Запуск первых спутников системы Глобалстар состоялся в феврале 1998 года, однако первоначальные планы развития нарушил неудачный запуск, в результате чего двенадцать спутников системы так и не были выведены на околоземную орбиту. Однако работа не остановилась и в 2000 году Российское космическое агентство вывело на орбиту основные 48 спутников связи. Первоначально предполагалось, что на орбите также будут располагаться 8 резервных спутников, но по финансовым причинам удалась запустить только четыре запасных космических аппарата.
В системе Глобалстар используется технология DSSS, что обеспечивает высокие качественные показатели. На рис. 1-5-9 показаны орбиты системы связи Глобалстар.
Рис. 1-5-9
