Особенности построения современных систем спутниковой связи на основе геостационарных ИСЗ

Современные системы спутниковой связи на основе геостационарных ИСЗ обеспечивают все виды связи (телефон, факс, передача данных и т.д.). В течение более чем 30 лет геостационарные спутники обеспечивали практически единственный вид коммерческой связи через космос. Для односторонней связи эти системы обеспечивают максимальную эффективность. Возможности геостационарных ИСЗ таковы, что они обеспечивают не только пропускную способность, эквивалентную пропускной способности волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), но и позволяют обеспечить связью малонаселенные районы, в которых использование ВОЛС или других наземных линий невозможно по технико-экономическим соображениям.

Наиболее известной системой является международная система “Inmarsat”. В последние годы активно развиваются региональные системы спутниковой связи, причем наряду с традиционным L -диапазоном частот рассматривается возможность использования не только S - диапазона, но и диапазонов 31/21 и 47/44 ГГц. Переход к более высокочастотным диапазонам обусловлен необходимостью увеличения пропускной способности, рост которой практически ограничен в L -диапазоне частот. Другие системы решают в основном региональные задачи.

2.2.2 Международная система “Eutelsat”

Консорциум “Eutelsat” (The European Telecommunications Satellite Organization) был образован 1977 году для передачи телефонных вызовов и европейских телевизионных программ на континенте. В 1994 году участниками “Eutelsat” были 36 государств Европы. В настоящее время страны восточной Европы становятся полноправными участниками консорциума. Современная технологическая программа “Eutelsat” базируется на мощных спутниках “Eutelsat II”, “Eutelsat III”, предоставляющих расширенные операционные возможности и предназначенных для использования до 2010 г.

Основная задача консорциума – эксплуатация и развитие спутниковой системы “Eutelsat” для фиксированной и подвижной связи и вещания в Европе. Спутники “Eutelsat” обеспечивают поддержку национальных и международных государственных служб электросвязи, как фиксированных, так и подвижных (телефон, телеграф, телекс, факс, видеотекст, передача данных), а также специализированных служб электросвязи (радионавигация, спутниковое вещание, космические исследования, метеорология и аэрофотосъемка для исследования природных ресурсов).

Космический сегмент “Eutelsat” включает ряд ИСЗ, расположение которых на орбите к началу 2001 г. показано на рисунке 2.1. Трафик спутников “Eutelsat” включает:

ТВ и радиопрограммы для кабельных сетей и прямого приема;

программы сетей Евровидения и Еврорадио в рамках ЕСР;

каналы сбора новостей с помощью спутников;

каналы внутренней и международной телефонии;

каналы передачи данных для выделенных сетей деловой информации;

каналы сухопутной подвижной сети Евтелтракс.

Кроме того, организация “Eutelsat” осуществляет развитие Европейской системы подвижной спутниковой связи, созданной на базе геостационарного ИСЗ “Italsat – 2”.

Рисунок 2.1 – Схема размещения ИСЗ «Eutelsat» на орбите

2.2.3 Международная система “Inmarsat”

Международная организация “Inmarsat”, объединяющая поставщиков услуг спутниковой системы связи, существует с 1979 года, и сегодня сеть “Inmarsat” используют в 80 странах мира. Хотя изначально она создавалась для обеспечения связью военно-морского флота и морских перевозок, последняя ее реализация рассчитана также и на сухопутные транспортные средства. Заметим, что это одна из немногих систем, космический сегмент которой полностью соответствует рекомендациям для служб мобильной спутниковой и аэросвязи, разработанным Международной организацией гражданских авиаперевозок (ICAO).

Спутниковая система “Inmarsat” включает четыре составные части:

космический сегмент;

сеть земных станций – (Land Earth Station - LES);

абонентские подвижные земные станции, или терминалы, (Mobile Earth Station- MES);

средства управления системой: центр эксплуатации сети (Network Operation Centre- NOC) и центр управления спутниками (Satellite Control Centre- SCC).

Рисунок 2.2 – Взаимодействие основных сегментов системы

«Inmarsat»

В рамках системы “Inmarsat” действуют несколько стандартов.

“Inmarsat А” – аналоговая система подвижной спутниковой связи. Система была введена в эксплуатацию в 1982 году. Система обеспечивает телефонную связь, передачу данных, факсимильных и телексных сообщений. Типовая станция “Inmarsat А”обеспечивает один телефонный и один телексный канал, хотя имеются и многоканальные модели. В основном это станции морского исполнения для установки на судах. В настоящее время идет замена станций этого стандарта на более современные станции стандарта “Inmarsat-В”. Морская станция “Inmarsat-А” (аналоговая) обеспечивает прием / передачу информации в реальном масштабе времени и позволяет входить в сети связи Х.25, Х.400, Internet, E-mail, а также осуществляет групповой вызов: по выбранной группе пользователей или по географическому признаку. Станция принимает информационные сообщения: навигационные, IMO, WMO, ICAO.

Спутниковый терминал “Inmarsat-А” обеспечивает следующие режимы работы:

· телефон (9, 6 Кбит/с);

· факс (9, 6 Кбит/с);

· телекс (50 бод);

· передача данных (9, 6 Кбит/с);

· высокоскоростная передача данных (64 / 56 Кбит/с).

“Inmarsat-В” – цифровая версия ситемы “Inmarsat-А”, которая обеспечивает аналогичный плюс усовершенствованный набор услуг. На базе цифровых методов связи стандарт “Inmarsat-В” дает возможность пользоватся высокоскоростной передачей данных (64 Кбит/с), многоканальной связью, конференц-связью и передачей видеоизображений. Система “Inmarsat-В” более эффективно использует мощность и спектр, чем система “Inmarsat-А”. Разработаны терминалы для морских и речных судов, автомашин, полустационарные установки, а также переносные модели в виде чемоданов. Система “Inmarsat-В” была введена в эксплуатацию в 1993 году. Станции “Inmarsat-В” могут работать в направленных лучах спутников “Inmarsat” третьего поколения. Осуществляет групповой вызов: по выбранной группе пользователей или по географическому признаку. Спутниковый терминал “Inmarsat-В” обеспечивает такие же режими работы, как и “Inmarsat-А”

“Inmarsat-С” была введена в эксплуатацию в 1991 году. “Inmarsat-С” обеспечивает телексную связь и низкоскоростную передачу данных (600 бит/сек) на основе метода хранения и последующей передачи информации на спутник через всенаправленную антенну высотой всего в несколько дюймов. “Inmarsat-С” также обеспечивает работу электронной почты через конкретную Земную станцию, используя протоколы Х.25 и Х.400. Терминал может иметь в своем составе или подсоединяться к устройствам определения местоположения (например, GPS). Самый малогабаритный терминал “Inmarsat-С” можно уместить в обычный портфель. В конце 1993 года стал выпускаться терминал системы АЭРО-С.

“Inmarsat-М”. Земная станция “Inmarsat-М” является портативным вариантом станции “Inmarsat-В”. Терминал “Inmarsat-М” – это первый в мире портативный персональный спутниковый телефон в виде чемоданчика типа “дипломат”. Внедрение портативных станций “Inmarsat-М” принципиально изменило представление о возможностях спутниковой связи “Inmarsat”. Станция “Inmarsat-М” обеспечивает круглосуточную оперативную телефонную связь практически в любой точке Земного шара. При организации связи “терминал-терминал” двойным скачком через спутники “Inmarsat” обеспечивается работа как бы в собственной локальной сети связи без выхода на наземные каналы. Станции “Inmarsat-M” производятся в вариантах для монтажа на любом типе грузовых и легковых автомашин, а также для морских и речных судов. Глобальная система “Inmarsat-M” влилась в русло действующих систем “Inmarsat” в 1993 году.

“Inmarsat-Mini M” представляет собой спутниковый терминал фактически с теми же самыми возможностями, что и терминал системы “Inmarsat-M”. Терминалы “Inmarsat-mini M” работают через спутники третьего поколения с использованием новейшей технологии «направленного луча», что позволило значительно уменьшить габариты данного вида оборудования. Это миниатюрные и легкие терминалы размером со стандартный лист бумаги А4 и весом не более 2, 5 кг. Встроенная батарея и зарядное устройство дают возможность работать автономно, обеспечивая полную мобильность и независимость от наземных сетей связи. Разработаны модели “Inmarsat-mini M” для использования на автомобильном, железнодорожном транспорте, морском и речном транспорте, а также модели для стационарного применения в отдаленных районах и сельских местностях.

“Inmarsat-D, D + ” – глобальная односторонняя система связи, обеспечивающая передачу данных и коротких сообщений (до 138 символов) на спутниковые терминалы типа «пейджер». Самая дешевая услуга связи в системе спутниковой связи “Inmarsat” введена в эксплуатацию в 1996 году. “Inmarsat D + ” – это усовершенствованая система связи “Inmarsat D”, обеспечивающая двустороннюю связь, т. е. передачу коротких сообщений с последующим подтверждением о получении переданной информации. Разработаны модели со встроенным приемником GPS.

“Inmarsat – Е”. Система была разработана с целью передачи оповещения о бедствии на частотах L-диапазона (для спутниковых аварийных радиобуев). Поскольку геостационарные спутники “Inmarsat” всегда находятся в зоне видимости, то оповещение о бедствии могут приниматься без задержки спасательно-координационными центрами. Координаты судна, терпящего бедствие, автоматически вводятся в спутниковый радиобуй.

Космический сегмент “Inmarsat”. В системе “Inmarsat” на каждом спутнике имеется по крайней мере два ретранслятора, один из которых ретранслирует сообщения в направлении от ЗС к терминалам, а второй – в обратном направлении.

Спутники первого и второго поколения имеют глобальные лучи.

Рисунок 2.3 – Местоположение ИСЗ «Inmarsat» на орбите

Каждый глобальный луч охватывает приблизительно треть земной поверхности (за исключением высокоширотных полярных районов до 70° южной широты и до 70° северной широты). На рисунке 2.7 показаны зоны покрытия спутников “Inmarsat” первого и второго поколений. Спутники Инмарсат перекрывают четыре большие области:

Атлантический океанский регион восточный (Atlatic Ocean Region East – AOR-E);

Атлантический океанский регион западный; (Atlatic Ocean Region West – AOR-W);

Индийский океанский регион (Indian Ocean Region – IOR);

Тихоокеанский регион (Pacific Ocean Region – POR).

В целом система “Inmarsat” при использовании глобальных лучей охватывает практически весь земной шар и соответствует требованиям, прдъявляемыми к Глобальной морской системе связи при бедствии и для обеспечивания безопасности (ГМССБ).

Спутники третьего поколения используют новую технологию спутниковой связи – “технология направленных лучей”, покрывающих более 95% земной поверхности, что значительно расширяет возможности использования системы. Каждый спутник, наряду с глобальным лучом, имеет несколько направленных лучей, покрывающих определенные зоны поверхности Земли и концетрирующих в зонах покрытия большую мощность.

Спутники четвертого поколения. Три спутника “Inmarsat-4” запущены в 2004 году. Мощность новых спутников в 100 раз выше, чем у существующих, что позволит передавать данные со скоростью до 432 Кбит/с. Новая услуга будет называться В-GAN – Broadband Global Area Network (широкополосная глобальная сеть).

Наземный сегмент системы “Inmarsat”. В кажлом океанском регионе, как правило, находится несколько ЗС. Все они образуют сеть, причем одна из них является координирующей станцией (Network Coordination Station – NCS) и управляет работой данной сети.

Работу всей сети в целом круглосуточно контролирует Центр эксплуатации сети (Network Operations Centre – NOC), расположенный в Лондоне в штаб-квартире “Inmarsat”. Сигнал с абонентской станции поступает на спутник связи, затем – на одну из береговых станций, обеспечивающих доступ в сети связи общего пользования, то есть на телефон наземного абонента. Организуется также возможность связи между двумя подвижными абонентскими станциями – “режим двойного скачка”. В этом случае исключается прохождение сигнала по наземным линиям связи.

Терминалы для каждого стандарта имеют свои особенности построения.

Все управление станцией “Inmarsat-А” осуществляется с телефонного аппарата или телексного комплекта, а также с клавиатуры компьютера. Ввод команд и текстового материала осуществляется с клавиатуры телексного аппарата или клавиатуры компьютера.

2.2.4 Международная система “Интерспутник”

“Интерспутник” является международной, межправительственной организацией и международной системой спутниковой связи. Организация была учреждена в 1971 году со штаб-квартирой в г. Москва (Российская Федерация). На 1 марта 1998 число Членов Организации “Интерспутник” составляло 23:

Пользователями системы “Интерспутник” являются около 100 государственных и частных компаний многих стран мира. В их число входят компании России, США, Великобритании, Японии, Канады, Индии, Франции, Португалии, Мадагаскара и др.

Система “Интерспутник” включает:

космический комплекс;

земные станции пользователей;

контрольные станции, с помощью которых осуществляется оперативное управление эксплуатацией системы.

К основным видам предоставляемых услуг, предоставляемых системой, можно отнести следующие:

обмен телефонными, документальными (факс, телекс) сообщениями и сигналами в международных, национальных и региональных сетях общего пользования, а также в выделенных сетях;

международный обмен телевизионными и звуковыми программами;

организация национального и регионального телевизионного и звукового вещания на сеть земных станций с малыми антеннами;

организация национального и регионального непосредственного телевизионного и звукового вещания на сеть приемных установок коллективного и индивидуального пользования;

организация сетей видеоконференцсвязи;

организация сетей связи для деловых кругов (с использованием станций с антеннами малого размера типа VSAT) и др.

В системе “Интерспутник” наибольшее распространение получили следующие методы передачи сигналов:

1. Для передачи телевизионного сигнала (сигнала изображения) – частотная модуляция (ЧМ) несущей аналоговым телевизионным сигналом. Для передачи сигнала звукового сопровождения – частотная модуляция аналоговым звуковым сигналом поднесущей, расположенной выше спектра телевизионного сигнала.

2. Для передачи сигналов радиовещания – аналого-цифровое преобразование при помощи импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), двойная относительная фазовая манипуляция несущей при многостационарном доступе с частотным разделением каналов (МДЧР-ДОФМ-ИКМ).

3. Для передачи сигналов телефонии в системе используется аппаратура типа SCPS для организации малоканальной связи между абонентами. При этом используется аналого-цифровое преобразование сигнала одного телефонного канала низкой частоты (ОКН) с помощью 7-разр. ИКМ, двойная фазовая манипуляция отдельной несущей при многостанционном доступе с частотным разделением каналов (МДЧР-ОКН-ДФМ-ИКМ). Параметры используемого преобразования ИКМ представлены в таблице 2.1.

4. Для передачи сигналов телефонии в системе используется аппаратура типа IDR и IBS для организации многоканальной связи между абонентами. При этом используется аналого-цифровое преобразование сигналов группы телефонных каналов низкой частоты (ГКН) с помощью ИКМ, двойная фазовая манипуляция отдельной несущей при многостанционном доступе с частотным разделением каналов (МДЧР-ГКН-ДФМ-ИКМ).

Таблица 2.1 – Перечень основных технических параметров и требований к каналу и несущим типа ОКН-ДФМ-ИКМ

Космический сегмент системы “Интерспутник” включает в себя:

геостационарные спутники связи типа “Горизонт”, “Экспресс”, “LMI” и “SESAT”;

геостационарные вещательные спутники типа “Галс”;

средства контроля технического состояния и управления спутниками и бортовой аппаратурой в процессе эксплуатации.

Спутники связи “Горизонт” и “Экспресс” работаюют в диапазонах частот 6/4 ГГц (С – диапазон) и 14/11 ГГц (Кu – диапазон), имеют передающие антенны с глобальными, зоновыми и узкими лучами и обеспечивают зачения ЭИИМ в направлении границ зон обслуживания от 25, 5 до 43, 0 дБВт в диапазоне С и 36, 0 дБВт в диапазоне Кu.

Спутники “Экспресс” являются следующим после спутников “Горизонт” поколением российских спутников связи. Каждый спутник “Горизонт” имеет 6 транспондеров для работы в диапазоне С и один – в диапвзоне Кu. Каждый спутник “Экспресс” имеет 10 транспондеров для работы в диапазоне С и два – в диапазоне Кu.

По сравнению со спутниками “Горизонт” спутники “Экспресс” имеют: большое количество транспондеров.

Вещательные спутники типа «Галс» работают в диапазоне Кu и предназначены для организации непосредственного телевизионного вещания на приемные установки индивидуальных абонентов.

Каждый спутник «Галс» имеет по три транспондера, бортовые перенацеливаемые антенны с узкими лучами и обеспечивает значения ЭИИМ в направлении границ зон обслуживания в пределах 52, 0…54, 0 дБВт.

Основные рабочие точки спутников системы “Интерспутник” – позиции геостационарной орбиты с координатами 14° з. д. (Атлантический регион) и 80° в. д. (Индийский регион). Также в системе используются спутники и на других позициях в пределах дуги геостационарной орбиты от 14° з. д. до 161° в. д.

Для спутников «Экспресс» ширина полосы рабочих частот по уровню минус 1 дБ 34 МГц (40 МГц для транспондера 6).

Добротность приемных устройств (G/T) для центра луча антенны ИСЗ “Экспресс”:

в диапазоне частот 6 ГГц -11, 2; -4, 2 дБ/К;

в диапазоне частот 14 ГГц -2, 5 дБ/К.

ЭИИМ для центра луча антенны:

в диапазоне частот 4 ГГц от 28, 9 до 46, 1 дБВт;

в диапазоне частот 11 ГГц 39, 2 дБВт.

Поляризация для полезного сигнала в диапазоне 6/4 ГГц:

на линии вверх круговая, левого вращения;

на линии вниз круговая, правого вращения.

Поляризация для полезного сигнала в диапазоне 14/11 ГГц:

на линии вверх линейная горизонтальная;

на линии вниз круговая вертикальная.

Система “Интерспутник” находится в постоянном развитии. ИСЗ “LMI-1” (75⁰ в.д.) обладает высокой мощностью, имеет модульную конструкцию и рассчитан на обеспечение быстро растущих потребностей в области связи. Спутник “LMI-1” предназначен для работы в фиксированной спутниковой службе. Его энергетические возможности позволяют организовать ретрансляцию различных видов информации, имеет трехосевую стабилизацию и точность удержания на орбите ± 0, 05⁰ (в направлениях север-юг/запад-восток). Масса спутника 1730 кг и срок службы на орбите – 15 лет.

Мощность источника питания ИСЗ “LMI-1” 6, 8...7, 5 кВт, полностью обеспечивает питания всех транспондеров при прохождении теневых участков. Сбор телеметрических данных и контроль за работой “LMI-1” осуществляются космическим центром А2100 в Калифорнии. Мониторинг ведут контрольные станции “Дубна” (РФ) и “Шипка” (Болгария).

Полезная нагрузка ИСЗ “LMI-1” состоит из оборудования С и К и диапазонов, характеристики которого приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Радиооборудование ИСЗ LMI-1

Спутник «LMI-1» имеет приемопередающие антенны для работы в С, Ku и С диапазонах. Все антенны обеспечивают контурную форму луча с развязкой по поляризации (прием/передача) 31 дБ. Уровень первого бокового лепестка ДН антенн в С диапазоне – 15 дБ, а в К и диапазоне – 17 дБ. Уровень второго бокового лепестка – 20 дБ в обоих диапазонах.

На спутнике «LMI-1» рабочий диапазон частот используется дважды за счет поляризационного уплотнения сигналов (поляризация линейная, горизонтальная и вертикальная).

Наземный сегмент системы «Интерспутник». В системе «Интерспутник» используются земные станции различных стандартов, отличающиеся значениями добротности (G/T).

Стандарты земных станций, работающих в диапазоне частот 6/4 ГГц (или в диапазоне С), обозначаются латинской буквой «С» и цифрой, обозначающей класс 3С. Например, стандарт С1 указывает на то, что данная 3С работает в диапазоне 6/4 ГГц и относится к первому классу. Действующие стандарты 3С системы «Интерспутник», работающих в диапазоне 6/4 ГГц, приведены в табл. 2.3.

При работе 3С через спутники типа «Горизонт» и «Экспресс» в диапазоне 6/4 ГГц, антенная система, включая антенно-волноводный тракт 3С, должна обеспечить передачу и прием сигналов с круговой поляризацией:

при передаче – левого вращения;

при приеме – правого вращения.

На спутнике «LMI-1» в диапазоне 6/4 ГГц используется линейная поляризация сигналов при передаче и приеме, а также повторное использование частот за счет поляризационного уплотнения сигналов.

Стандарты земных станций, работающих в диапазонах 14/11 и 13/12 ГГц (или в диапазоне К _и ), обозначаются латинской буквой «К» и цифрой, обозначающей класс 3С. Действующие стандарты 3С системы «Интерспутник», работающих в диапазонах частот 14/11 и 13/12 ГГц приведены в табл. 2.4.

Поляризация электромагнитного поля для 3С (диапазоны частот 14/11 и 13/12 ГГц) при работе через:

Спутник «Горизонт - при передаче – круговая, левого вращения;

-при приеме – круговая, правого вращения

Спутник «Экспресс» - при передаче – линейная, горизонтальная;

- при приеме – линейная, вертикальная

Спутник «LMI-1 -при приеме – вертикальная и/или горизонтальная;

- при приеме – вертикальная и/или горизонтальная.

Таблица 2.3 – Стандарты земных станций диапазона частот 6/4 ГГц

* – значения G/T приведены при условии ясного неба, угле места β = 5⁰ и на центральной частоте рабочего диапазона приема;

** – меньшее значение диаметра антенны соответствует МШУ с низкой температурой шума (≤ 40⁰ К)

Таблица 2.4 – Стандарты земных станций диапазона частот 14/11 и 133/12 ГГц

* – значения G/T приведены при условии ясного неба, угле места β = 10⁰ и на центральной частоте рабочего диапазона приема;

** – меньшее значение диаметра антенны соответствует МШУ с низкой температурой шума (≤ 50⁰ К)

В целом успешная реализация проекта «LMI-1» выводит «Интерспутник» на новый виток развития и позволяет на равных правах конкурировать с ведущими организациями, предоставляющими весь спектр телекоммуникационных услуг на самом высоком техническом уровне.