Системы мобильной спутниковой связи представляют сравнительно новый, очень мощный, гибкий и быстро развивающийся вид мобильной связи. Использование спутников в системах связи началось фактически сразу же после запуска первых ИСЗ в 1957… 1958 гг., и до настоящего времени связь остается одной из основных областей их практического применения наряду с глобальной навигацией и разнообразными исследованиями Земли из космоса – от военной разведки до прогноза погоды и мониторинга природных ресурсов.

Предложения об использовании спутников для связи высказывались и раньше. Например, Артур Кларк, в то время секретарь Британского межпланетного общества, в 1945 г. опубликовал статью с изложением идеи всемирной системы связи, использующей три спутника на геостационарной орбите. Без сомнения, у всех на слуху названия серий спутников «Космос», «Горизонт», «Молния». Сегодня число таких названий составляет несколько десятков, и основные из них, относящиеся к связи, мы постараемся кратко охарактеризовать. В зависимости от назначения спутниковые системы связи могут быть военными, гражданскими государственными (например, системы телевизионного вещания) или коммерческими, стационарными (фиксированными) или подвижными; связь может осуществляться в реальном времени или с задержкой, например с накоплением и последующим «сбросом» информации.  

По типам используемых орбит ИСЗ спутниковые системы связи классифицируются следующим образом (Орбита ИСЗ в общем случае представляет собой эллипс, один из фокусов которого совпадает с центром Земли Ближайшая к Земле точка орбиты называется перигеем, наиболее удаленная – апогеем Частным случаем эллипса является окружность (круговая орбита) Наклонением орбиты называется двугранный угол, образуемый плоскостью орбиты и плоскостью экватора Земли Орбита с нулевым наклонением называется экваториальной, ее плоскость совпадает с плоскостью экватора, орбита с наклонением 90 градусов – полярная, движущийся по ней спутник проходит точно над полюсами Промежуточные орбиты называют наклонными, их наклонение лежит в пределах от 0 до 90 градусов Орбиты с большим наклонением, порядка 70 градусов и более, иногда называют приполярными.):

  • высокоорбитальные, или геостационарные (GEO – Geostationary Earth Orbit) – с круговыми экваториальными орбитами высотой около 40 тыс. км; при этом период обращения спутника вокруг Земли равен 24 ч, т.е. спутник оказывается неподвижным относительно Земли: он постоянно «висит» над одной и той же точкой экватора,
  • среднеорбитальные (МЕО – Medium Earth Orbit) – с круговыми орбитами высотой порядка 10 тыс. км,
  • низкоорбитальные (LEO – Low Earth Orbit) – с круговыми орбитами высотой 700. .2000 км,
  • высокоэллиптические (НЕО – Highly Elliptical Orbit) – с вытянутыми эллиптическими орбитами, имеющими радиус перигея порядка тысячи километров и радиус апогея порядка одного или нескольких десятков тысяч километров.

Среднеорбитальные и низкоорбитальные системы иногда объединяют под общим названием низкоорбитальных; по типу используемых ИСЗ их разделяют также на большие (масса ИСЗ в пределах 500. .2000 кг) и малые (50…100 кг).

Приведем некоторые примеры, не затрагивая систем военного назначения.

Прежде всего, следует отметить большую группу систем стационарной (фиксированной) связи, использующих спутники на геостационарных или высокоэллиптических орбитах. Сюда относятся всемирная система INTELSAT, а также несколько региональных систем – европейская EUTELSAT, средневосточная ARABSAT и ряд других (все на геостационарных ИСЗ). В России (ранее в СССР) к этой же группе принадлежат системы на базе группировок высокоэллиптических спутников «Молния» и геостационарных «Радуга», «Горизонт», «Стационар», «Луч», «Экспресс», «Экран», «Галс». На основе последних были реализованы национальная система спутниковой связи и вещания «Орбита» и международная система спутниковой связи «Интерспутник». Крупнейшим оператором спутниковой связи в России является Государственное предприятие «Космическая связь» (ГПКС). Оно владеет пятью Центрами космической связи (телепортами), через которые осуществляется выход на спутники перечисленных выше группировок. ГПКС выполняет функции международного оператора спутниковой связи и является официальным представителем России в «Интелсате» и «Евтелсате». К этой же группе можно отнести интенсивно развивающиеся системы VSAT (Very Small Aperture Terminals – терминалы с очень малой апертурой антенны), предназначенные для бизнес-связи и отличающиеся сравнительно портативными терминалами с антеннами диаметром порядка 1…2 м, но требующие использования высоконаправленных многолучевых антенн на борту ИСЗ.

Вторую группу в нашей условной классификации составляют системы мобильной связи на базе геостационарных и высокоэллиптических ИСЗ. Здесь прежде всего необходимо упомянуть систему INMARSAT (International Maritime Satellite Organization – Международная организация морской спутниковой связи), функционирующую с 1981 г. и использующую геостационарные спутники. Эта система помимо передачи сигналов аварийного оповещения обеспечивает мобильную связь, в основном на море, и имеет ряд модификаций, в том числе:

  • Inmarsat-A – телефонная и телексная связь; параболические антенны диаметром порядка 1 м, направляемые на ИСЗ; передача речи – с аналоговой частотной модуляцией;
  • Inmarsat-C – с 1991 г. – цифровая симплексная система передачи данных с накоплением и последующим «сбросом»;
  • Inmarsat-M – с 1992 г. – цифровая система с портативными терминалами (масса около 10 кг, включая антенну), только телефонная связь;
  • Inmarsat Aero-H – с 1991 г. – цифровая система телефонной связи для использования в воздушной навигации;
  • Inmarsat-B – с 1993 г. – цифровая система, по назначению аналогичная Inmarsat-A, но более совершенная и сравнительно малогабаритная.

Россия (ранее СССР) активно участвовала в создании и использовании системы INMARSAT: был разработан комплекс спутниковой связи «Волна», включая сеть судовых станций «Волна-С», которые выходили на связь с абонентами на территории страны через соответствующие каналы ИСЗ «Горизонт». К этой же группе принадлежат североамериканская система OmmTRACKS (передача данных и определение местоположения), западноевропейская EU-TELTRACKS (те же функции), австралийская Mobilesat (фиксированная и мобильная связь, передача речи, данных и факса), российская «Сокол» – все на геостационарных ИСЗ, а также разрабатываемая в России система «Марафон» с высокоэллиптическими спутниками «Маяк», предназначенная в первую очередь для связи в высоких широтах.

К третьей группе мы отнесем системы подвижной связи на базе больших низкоорбитальных (LEO) и среднеорбитальных (МЕО) спутников с круговыми (реже – эллиптическими) орбитами. Разработка таких систем, рассчитанных на широкое коммерческое применение с использованием портативных (ручных) терминалов с ненаправленной антенной, не требующих, следовательно, слежения за ИСЗ, началась в самом конце 80-х годов, и ни одна из систем пока не запущена, но масштабы и степень продвинутоcти работ не оставляют сомнения в том, что по крайней мере некоторые из систем будут доведены до этапа эксплуатации, как и было задумано. Возможность реализации таких систем в значительной мере обязана развитию технологии, в частности совершенствованию элементной базы и миниатюризации электронных устройств. Из числа систем этой группы можно отметить проекты США IRID- t IUM, GLOBALSTAR, ODYSSEY, INMARSAT-P (все с круговыми орбитами), ELLIPSO (с эллиптическими орбитами), ARIES (с полярными орбитами), TELEDESIC (в системе предполагается использовать очень большое число спутников – 840), а также российские «Коскон», «Паллада», «Сигнал». В большинстве своем эти системы предусматривают также определение местоположения мобильных терминалов. В силу ряда причин системы этой группы представляют значительный практический интерес, и на некоторых из них мы подробнее остановимся ниже. В частности, благодаря меньшим высотам орбит они энергетически выгоднее, чем геостационарные и высокоэллиптические. По той же причине задержка сигнала в них в большинстве случаев не превышает 100 мс, что вполне приемлемо для организации двусторонней телефонной связи в реальном времени. Для сравнения: в геостационарных системах задержка достигает 250…270 мс, что считается недопустимым, так как приводит к заметному дискомфорту при телефонной связи.

Наконец, четвертая группа объединяет системы на основе малых низкоорбитальных (LEO) ИСЗ, предназначенные для работы в режиме электронной почты вне реального времени при малых скоростях передачи информации, т.е. для передачи данных с накоплением и последующим «сбросом», с задержкой во времени до нескольких часов. К этой группе относятся проекты США ORBCOM, STARNET, LEOSAT, итальянский проект TEMICON и российские «Гонец», «Курьер». Эти системы во многих случаях также обеспечивают определение местоположения абонентов.

Таким образом, как это видно из приведенных примеров, спутниковая связь вообще и подвижная спутниковая связь в частности – достаточно самостоятельные и весьма обширные области, со своей историей, своими техническими проблемами и достижениями, с большим числом участвующих в ее развитии и использовании национальных и международных компаний и организаций. Более или менее полное описание систем подвижной спутниковой связи далеко выходит за пределы возможностей настоящего издания, и требует отдельной книги или даже нескольких книг. Поэтому мы ограничимся в дополнение к уже приведенному обзору несколько более подробным описанием четырех систем -IRIDIUM, GLOBALSTAR, ODYSSEY, INMARSAT-P (ICO). Выбор именно этих систем, место которых среди других систем спутниковой связи ясно из предшествующего изложения, обусловлено продвинутостью их разработки и известной кор-релированностью с системами сотовой связи, как по некоторым техническим особенностям построения, так и по возможностям применения, и ниже мы постараемся пояснить это подробнее.

В таблице представлена сводка основных характеристик указанных четырех систем. Из данных таблицы видно, что все четыре системы используют ИСЗ на круговых орбитах, но две из них, IRIDIUM и GLOBALSTAR, – на низких орбитах 780 и 1400 км, а две, ODYSSEY и ICO, – на средних 10350 км. Соответственно, существенно отличается и число используемых спутников: 48…66 -на низких орбитах и 10…12 – на средних, причем вторые значительно больше и тяжелее первых.

Используемый тип множественного доступа – TDMA и CDMA, по две системы, – не связан с высотой орбиты. Все четыре системы в общем соизмеримы по стоимости, срокам создания и ряду других показателей, но в то же время существенно различаются по принципам построения и многим техническим характеристикам. На этих различиях мы сейчас и остановимся и попутно рассмотрим основные принципы построения систем такого типа.

Система IRIDIUM начала разрабатываться компанией Motorola (США) в 1989 г.; в 1993 г. был организован международный консорциум с участием ряда других компаний. Система названа по имени элемента иридия, атом которого имеет электронную оболочку из 77 электронов, так как первоначально в системе IRIDIUM предполагалось иметь 77 спутников, но позднее это число было изменено на 66. Как и три другие рассматриваемые системы, IRIDIUM предоставляет мобильным абонентам услуги передачи речи, факса, данных, персонального радиовызова и определения местоположения. Связь осуществляется с ручного абонентского терминала с ненаправленной антенной, который напоминает терминалы сотовых систем, но больше последних по размеру, массе, стоимости и потребляемой мощности. Для связи абонентского терминала со спутником служит пользовательская линия связи (user link), в отличие от фидерных (магистральных) линий связи (feeder links), используемых для связи ИСЗ с наземными станциями управления и узловыми (шлюзовыми, региональными, базовыми) станциями (gateways)] через последние обеспечивается выход в наземные стационарные сети – выделенные сети, сети общего пользования (PSTN), цифровые сети с интеграцией услуг (ISDN). Особенностью пользовательских линий связи системы IRIDIUM является то, что в обоих направлениях (Земля – спутник и спутник -Земля) в них используется одна и та же полоса частот с разнесением информации прямого и обратного каналов во времени – дуплексная связь с временным разделением (Time Division Duplex, TDD). При этом в канале Земля – спутник используется метод множественного доступа с разделением по частоте (FDMA), а в канале спутник – Земля – с разделением во времени (TDMA).

Уникальной особенностью системы IRIDIUM является наличие прямых линий связи между спутниками системы: каждый спутник может одновременно связаться с четырьмя другими спутниками – двумя на той же орбите (соответственно по одному «впереди» и «сзади» относительно рассматриваемого) и по одному на двух смежных орбитах. Это позволяет организовать связь между двумя мобильными абонентами напрямую через систему спутников, без промежуточных выходов в наземные сети связи, но приводит к соответствующему усложнению аппаратуры на борту ИСЗ, которой приходится, в частности, производить обработку передаваемых сигналов. Еще одной уникальной особенностью системы является использование спутников на приполярных орбитах, что позволяет обеспечить связью всю без исключения поверхность Земли. Три другие системы используют орбиты с наклонениями 45…50 град. В результате низкоорбитальная система GLOBALSTAR в полярных районах связь не обеспечивает, а среднеорбитальные ODYSSEY и ICO обеспечивают, но при меньших углах места.

Антенная система пользовательской линии связи на борту ИСЗ формирует систему пространственных лучей, направленных на Землю – всего 48 лучей, покрывающих зону, обслуживаемую одним спутником, диаметром около 4500 км. В смежных лучах используются разные рабочие частоты, а для разнесенных по угловым направлениям лучей значения частот повторяются, т.е. для рационального использования частотного ресурса применяется тот же принцип повторного использования частот, что и в сотовой связи. При движении спутника неподвижный абонент на поверхности Земли находится в пределах «следа» (footprint) одного луча примерно в течение двух минут. Поэтому в необходимых случаях производится передача обслуживания абонента из одного луча в другой или даже от одного ИСЗ системы к другому без прерывания сеанса связи, аналогично тому, как это делается в системах сотовой связи.

Вывод на орбиту спутников системы IRIDIUM был начат в мае – июне 1997 г. и должен быть завершен в 1998 г., так чтобы к концу 1998 г. начать полномасштабную эксплуатацию системы. Планируемая емкость системы в первые годы ее эксплуатации -около 1 миллиона абонентов.

Система GLOBALSTAR разрабатывается с 1991 г. международным консорциумом, в качестве ведущих в котором обычно выделяют компании Loral и Qualcomm (США). 48 спутников системы располагаются на шести круговых орбитах высотой 1400 км с наклонением 52 град.; при этом для любой точки территории США обеспечивается возможность одновременного наблюдения двух спутников. Для сравнения: система IRIDIUM рассчитана на одно-спутниковое покрытие обслуживаемых территорий. Спутники системы GLOBALSTAR легче и проще по устройству, чем в системе IRIDIUM, и на борту не предусмотрено обработки сигналов; ИСЗ выполняют роль ретрансляторов с преобразованием частоты. Число лучей в многолучевой связке, формируемой антенной системой пользовательской линии связи на борту спутника, равно 16; диаметр соответствующей зоны обслуживания на поверхности земли около 6000 км. Поскольку прямая связь между спутниками системы отсутствует, наземные узловые станции участвуют и в организации связи между подвижными абонентами, за исключением тех ситуаций, когда оба абонента, устанавливающие связь друг с другом, оказываются в зоне действия одного и того же ИСЗ системы. Соответственно на узловые станции здесь ложится существенно большая нагрузка, чем в системе IRIDIUM, и число узловых станций в системе GLOBALSTAR значительно больше. Использование метода множественного доступа с кодовым разделением сигналов (CDMA) в исполнении компании Qualcomm обусловливает заметную корреляцию в построении каналов связи и методах обработки сигналов со стандартом IS-95 сотовой связи (функции Уолша, «короткая» и «длинная» псевдослучайные последовательности, пилот-сигнал, каналы синхронизации, вызова и трафика, использование одной и той же полосы частот во всех лучах многолучевой связки и т.п.). Хотя разработка системы GLOBALSTAR была начата примерно одновременно с системой IRIDIUM и первая проще (или, во всяком случае, дешевле) второй, ввод ее в эксплуатацию, по-видимому, будет осуществлен на год или два позднее.

Система ODYSSEY, разрабатываемая компанией TRW (США), использует 12 спутников на средневысотных круговых орбитах с наклонением 50 град. Как и в системе GLOBALSTAR, спутники здесь являются только ретрансляторами с преобразованием частоты, и связь организуется через наземные узловые станции. Число последних, однако, значительно меньше, чем в системе GLOBALSTAR, так как большая высота орбит ИСЗ позволяет обслуживать с одного спутника значительно большие территории. Многолучевая связка антенной системы пользовательской линии связи на борту ИСЗ состоит из 19 лучей. Отличительная особенность системы ODYSSEY – квазистатическое расположение следов лучей на поверхности Земли. Во-первых, лучи устанавливаются преимущественно в направлении суши и наиболее активно используемых участков акватории океана. Во-вторых, по мере движения ИСЗ по орбите ориентация лучей корректируется таким образом, чтобы сотовая структура, образуемая следами лучей на поверхности Земли, оставалась неподвижной, и только при уходе спутника за радиогоризонт (раз в 1…2 ч) производится переключение зон обслуживания на другой спутник. В результате передача обслуживания, в том виде как это приходится осуществлять в низкоорбитальных системах IRIDIUM и GLOBALSTAR, производится достаточно редко. Ввод в эксплуатацию системы ODYSSEY планируется еще позднее, чем ввод системы GLOBALSTAR. Отметим, что корректный перевод названия ODYSSEY на русский язык -ОДИССЕЯ, хотя его произношение по-английски близко к «Одиссей», с главным ударением на первом слоге.

Система ICO, первоначально носившая название Inmarsat-P, начала разрабатываться позднее остальных – в 1994 г. по инициативе консорциума INMARSAT. В 1995 г. для реализации проекта была создана дочерняя компания ICO Global Communications со штаб-квартирой в Лондоне. Название ICO является сокращением от Intermediate Circular Orbit – промежуточная круговая орбита. В первоначальных вариантах проекта рассматривались и другие варианты орбит. В системе ICO используется 10 спутников на двух средневысотных круговых орбитах с наклонением 45 град. Спутники, как и в системах GLOBALSTAR и ODYSSEY, выполняют функции ретрансляции без обработки сигналов, и для организации связи используются наземные узловые станции, число которых, как и в системе ODYSSEY, сравнительно невелико. Несмотря на относительно поздний старт, разработка системы ведется очень интенсивно, в чем помогает, по-видимому, опыт работы с системой INMARSAT. Первые запуски спутников системы ICO планируются на 1998 г., ввод системы в эксплуатацию – частично в 1999 г. и полностью в 2000 г.

Таким образом, системы мобильной спутниковой связи становятся реальностью. Имеются все основания полагать, что на рубеже тысячелетий мобильная спутниковая связь станет если и не столь же распространенной, как сотовая связь сегодня, то, во всяком случае, не менее известной и практически всюду доступной. В настоящее время представляются актуальными следующие области применения мобильной спутниковой связи:

  • расширение сотовых сетей (cellular extension): использование спутниковой связи вместо сотовой в тех районах, где последней пока нет или ее развертывание нецелесообразно, например, из-за низкой плотности населения;
  • дополнение сотовых сетей (cellular complement): использование спутниковой связи в дополнение к существующей сотовой, например, для обеспечения роминга при несовместимости стандартов или в каких-либо чрезвычайных ситуациях;
  • стационарная беспроводная связь (fixed wireless), например, в малонаселенных районах при отсутствии проводной связи.

Тем самым спутниковая связь не выступает в качестве конкурента сотовой, а достаточно органично сочетается с последней. Практически во всех системах мобильной спутниковой связи предусматривается довольно высокая степень интеграции с сотовой связью; в частности, помимо абонентских терминалов, предназначенных для спутниковых систем, предполагается создание двухрежимных терминалов, предназначенных для работы как в спутниковой системе, так и в каком-либо из сотовых стандартов. К возможностям сочетания различных видов мобильной связи, в том числе спутниковой, мы еще вернемся позже, где рассмотрим и некоторые дополнительные аспекты этой проблемы.




Дополнительные материалы:

Share This

Поделитесь!

Если статья показалась Вам полезной.