Спутниковая система связи
Спу́тниковая систе́ма свя́зи (ССС), совокупность согласованно действующих и функционально взаимосвязанных космических аппаратов-ретрансляторов (искусственных спутников Земли, ИСЗ) и наземных технических средств управления, приёма и обработки данных, предназначенных для обеспечения обмена информацией между космическими и/или наземными объектами.
Создание систем подвижной и персональной спутниковой связи, интегрированных с наземными сетями связи, стало определяющей тенденцией развития технологий связи в начале 21 в. Абонентам таких систем предоставляется широкий спектр телекоммуникационных услуг: речевая и пейджинговая связь, передача данных, определение местоположения, возможность доступа в Интернет, услуги мультимедиа и др.
Классификация спутниковых систем связи
Спутниковые системы связи классифицируются по нескольким параметрам, к основным из которых относятся: службы радиосвязи, виды передаваемой информации, охват территории, размещение и принадлежность, виды орбит космических аппаратов (КА).
Службы радиосвязи
В зависимости от типа земных станций (ЗС) и их назначения в ССС различаются следующие службы радиосвязи:
фиксированная спутниковая служба (ФСС) – служба радиосвязи между ЗС, локализованными в строго фиксированных пунктах с использованием одного или нескольких спутников. Системы ФСС могут использоваться также для распределения радиовещательных программ, например отечественные системы «Орбита» и «Москва»;
подвижная спутниковая служба – служба радиосвязи между подвижными ЗС (или между подвижными и фиксированными ЗС) с участием одного или нескольких спутников. В зависимости от места установки подвижной ЗС различают сухопутную, морскую, воздушную подвижные спутниковые службы;
радиовещательная спутниковая служба – служба радиосвязи, в которой сигналы ИСЗ предназначены для непосредственного приёма населением. При этом термин «радиовещание» объединяет как телевизионное, так и звуковое вещание.
Виды передаваемой информации, универсальные и специализированные ССС
ССС применяют для трансляции программ телевидения, циркулярного распределения программ от передающей станции к большому числу приёмных; передачи других видов симплексных сообщений, чаще всего циркулярного характера (изображений газетных полос, программ звукового вещания); передачи телефонных сообщений (дуплексных), для обмена другими видами информации – телеграфной, дискретной от ЭВМ и других источников.
В зависимости от вида передаваемой информации различают универсальные многофункциональные спутниковые системы, ЗС которых обмениваются различными видами информации (например, Intelsat, «Орбита», ССС Канады Telesat и др.), и специализированные ССС, используемые для передачи одного вида или нескольких однородных видов информации (например, системы спутникового вещания «Экран» или «НТВ-Плюс» для циркулярного распределения телевизионного и звукового вещания).
Охват территории, размещение и принадлежность
По охватываемой территории, размещению и принадлежности ЗС, а также структуре управления ССС принято выделять:
международные ССС, в состав которых входят станции различных стран; такие системы могут быть глобальными, со всемирным охватом пользователей (например, «Интерспутник», Intelsat), либо региональными (Eutelsat, Arabsat, Asiasat);
национальные ССС, когда все ЗС расположены в пределах одной страны, в том числе зоновые, все ЗС которой расположены в пределах одной из зон (административной области, района) страны;
ведомственные (деловые, фирменные) ССС, ЗС которых принадлежат одному ведомству (организации, фирме) и передают только деловую или другую информацию в интересах этого ведомства.
Виды орбит космических аппаратов
По видам орбит КА выделяют геостационарные, средневысотные, низкоорбитальные и высокоэллиптические ССС.
В геостационарных системах КА расположены на экваториальной круговой орбите высотой около 36 тыс. км и периодом обращения 24 ч, поэтому КА всегда находится над конкретной точкой поверхности Земли, Основными достоинствами этих систем связи являются возможность непрерывной связи во всей глобальной зоне обслуживания и практическое отсутствие на линии связи доплеровского сдвига частоты. КА на геостационарных орбитах широко используются для систем радио- и телевизионного вещания. Однако суммарная задержка сигнала в системах этого класса с учётом времени обработки и коммутации в наземных сетях может достигать 350–400 мс, что затрудняет процесс общения абонентов по телефону. Кроме того, геостационарные КА не обеспечивают высококачественную связь в высокоширотных районах земного шара.
В средневысотных системах КА расположены на наклонных круговых орбитах, с высотами 5–15 тыс. км. Группировка включает 9–12 КА. Подобные системы, имея полную задержку времени распространения сигналов не более 130 мс, обычно используются для персональной радиотелефонной связи. Средневысотные системы предпочтительнее систем с более высокими орбитами также и по энергетическим параметрам, но существенно уступают им по продолжительности непрерывного пребывания КА в зоне видимости ЗС (не более 1,5–2 ч).
В низкоорбитальных системах КА расположены на низких круговых орбитах, высоты которых составляют 700–2000 км. В зависимости от наклонения плоскости орбиты i спутника-ретранслятора относительно плоскости экватора различают низкие экваториальные (i = 0◦), полярные (i = 90◦) и наклонные орбиты. На таких орбитах КА находятся в зоне прямой видимости с определённой точки Земли не более 10–15 мин. Количество КА для обеспечения устойчивой радиосвязи должно быть не менее 48, в зависимости от высоты орбиты. Связь способна охватить большие территории за счёт использования орбит, лежащих в разных плоскостях. Низкие орбиты выигрывают по сравнению с другими видами орбит в энергетических параметрах, но проигрывают в продолжительности сеансов связи и времени активного существования спутников.
В высокоэллиптических системах КА расположены на эллиптических орбитах с большими эксцентриситетами. Высота перигея может составлять около 460 км, высота апогея от 10 тыс. км и более. Периоды обращения КА, расположенных на таких орбитах могут отличаться весьма существенно.
Преимущества высокоэллиптических орбит (ВЭО):
возможность размещения нескольких десятков независимых ССС со смещённой долготой апогея;
обеспечение для ЗС в высоких широтах более высоких углов подъёма антенн над горизонтом для уменьшения внешних шумов окружающей среды;
меньшие энергетические затраты при выведении спутника на орбиту и поддержании её параметров по сравнению с геостационарным спутником;
при построении орбиты с апогеем над Северным полушарием (в котором располагается РФ и проживает бо́льшая часть населения Земли) обеспечивается обширная зона устойчивой видимости этого полушария и его приполярных областей (что невозможно реализовать средствами геостационарных ССС).
В то же время ВЭО имеет существенные недостатки по сравнению со стационарной орбитой, поскольку антенны ЗС должны постоянно отслеживать движение спутника по орбите, а число спутников в составе одной сети связи должно быть достаточно большим.
Развитие спутниковых систем связи (краткий обзор)
Развитие спутниковых систем связи началось 4 октября 1957 г. с запуска СССР первого в мире ИСЗ («Спутник-1»), который был выведен на эллиптическую орбиту со следующими параметрами: высота в апогее – 947 км, в перигее – 288 км, наклонение – около 65°, период обращения – 96,7 мин. В течение 21 суток этот ИСЗ непрерывно посылал радиосигнал, который могли отслеживать радиолюбители по всему миру. Таким образом, в ходе полёта «Спутника-1» была практически доказана возможность построения радиоканала связи «орбита – Земля».
В 1960 г. США вывели на орбиту, близкую к круговой, высотой в перигее немногим более 1500 км, надувной воздушный шар (космический аппарат «Эхо-1»). Его металлизированная оболочка диаметром 30 м выполняла функцию пассивного ретранслятора. Проведённый эксперимент показал перспективность данной технологии.
В 1962 г. на среднюю околоземную орбиту с параметрами: высота в апогее – 5933 км, в перигее – 952 км, наклонение – 44,8°, период обращения – 157 мин – был выведен первый КА активной связи «Телстар-1», обеспечивший двустороннюю телефонную связь по 60 каналам или трансляцию одной телевизионной программы. Успешный опыт использования этого КА для создания ССС позволил открыть эру спутниковой связи.
В 1965 г. в рамках программы Международного консорциума спутниковой связи ИНТЕЛСАТ (Intelsat) на геосинхронную орбиту был выведен первый коммерческий космический аппарат связи Early Bird (США) с параметрами: высота в апогее – 35 855,1 км, в перигее – 35 767,8 км, наклонение – 3,127°, период обращения – 1437 мин. Он мог поддерживать работу до 240 телефонных каналов связи, связывая разные континенты и государства, а также установил связь США с Великобританией, Францией и Германией.
В СССР выведение на орбиту связного КА «Молния-1» (23 апреля 1965) сделало возможным обеспечить активную дальнюю ретрансляцию телевизионных передач, а также дальнюю двухстороннюю телеграфную, фототелеграфную связь со многими удалёнными районами страны. На основе этой орбитальной группировки из 5 КА, расположенных на высокоэллиптических орбитах с параметрами: высота в апогее – 40 тыс. км, в перигее – 460–630 км, наклонение – 63,4°, период обращения – 12 ч, была создана система дальней космической радиосвязи «Орбита» для поддержания телефонной связи между Москвой и Владивостоком. Введённая в эксплуатацию 2 ноября 1967 г., она стала первой системой, обеспечившей ретрансляцию телевизионных каналов на всей территории СССР. К концу 1986 г. работало около 90 земных станций «Орбита».
В 1978 г. в рамках создания системы телевизионного вещания «Москва» (СССР) на геостационарную орбиту с высотой 36 тыс. км был запущен первый КА связи «Горизонт». Всего было запущено 33 таких КА. ССС обеспечивала ретрансляцию программ центрального телевидения для Европейской части СССР, Урала, Средней Азии, Сибири и Дальнего Востока, Крайнего Севера.
С 1982 г. развёрнута глобальная спутниковая система подвижной связи Inmarsat (международная ССС, обслуживающая абонентов из 35 государств), которая состоит из 11 КА, размещённых на геостационарных орбитах. Система Inmarsat обеспечивает связь морских судов между собой, а также передачу сигналов бедствия, сигналов корректирующих поправок систем функциональных дополнений глобальных навигационных спутниковых систем, оперативное взаимодействие с другими судами и береговыми службами, связь членов экипажа и пассажиров судна с берегом.
В 1988 г. в рамках создания спутниковой системы связи «Москва-Глобальная» (СССР) на геостационарные орбиты с высотой 36 тыс. км были запущены 2 КА «Экран-М». Они обеспечивали трансляцию телевизионных каналов на территорию СССР, а также для дипломатических представительств СССР в других странах.
С 1994 г. российские орбитальные группировки КА связи на геостационарной орбите серий «Экспресс» (штатный состав – 28 КА) и «Ямал» (8 КА) обеспечивают российских потребителей полным набором мультимедийных услуг.
Спутник связи «Экспресс-АМ8».На рисунке показан ИСЗ связи «Экспресс-АМ8», изготовленный предприятием «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва (ныне АО «РЕШЕТНЁВ») и запущенный в 2015 г.
С 1996 г. в России началось развёртывание многофункциональной космической системы персональной спутниковой связи «Гонец». Назначение системы «Гонец»: передача координатно-временной информации ГЛОНАСС; связь в удалённых регионах; мониторинг транспорта; мониторинг экологических и промышленных объектов; связь в зоне бедствий; связь в интересах различных ведомств и министерств. В 2019 г. орбитальная группировка этой системы состояла из 18 КА, расположенных на низких круговых орбитах с параметрами: высота орбиты – 1400 км, наклонение – 82,5°, период обращения – 114 мин.
В 1997–1998 гг. создана глобальная система подвижной спутниковой связи Iridium (разработана в США, развёрнута и функционирует с участием Российской Федерации), обеспечивающая покрытие 100% земной поверхности. Система поддерживает высокоскоростную передачу данных со скоростью до 128 кбит/с и полноценную телефонную связь для морского транспорта, в том числе в Арктической зоне Российской Федерации. Она состоит из 75 КА, расположенных на низких круговых орбитах с параметрами: высота орбит – 781 км, наклонение – 86,4°, период обращения – 100 мин. В 2008 г. в РФ создано ООО «Иридиум Коммьюникейшенс», которое является оператором Российского сегмента сети Iridium. В 2016 г. в Ижевске построена станция сопряжения (приземления трафика), которая обеспечивает прохождение всего трафика, абонентских станций на территории РФ.
С 1998 г. развёрнута система спутниковой связи Globalstar (США) из 56 КА, расположенных на низких круговых орбитах с параметрами: высота орбит – 1400 км, наклонение – 52°, период обращения – 114 мин. Система предоставляет услуги связи и доступа в Интернет в любой точке земного шара, за исключением приполярных областей.
С 2011 г. развёрнута многофункциональная космическая система ретрансляции «Луч» (Россия), состоящая из 3 КА на геостационарной орбите. Она обеспечивает потребителей услугами связи как в Российской Федерации, так и за её пределами.
С 2020 г. развёрнута система спутниковой связи Starlink (США). Более 3270 КА (запланировано до 42 тыс. КА) расположены на низких околоземных орбитах с параметрами: высота от 238 до 1325 км, количество орбитальных плоскостей до 72, наклонение от 53 до 97,6°, период обращения для высот 550 км – 350 с. Система предоставляет услуги постоянного доступа в сеть Интернет.
С 2021 г. развёрнута многофункциональная космическая система «Арктика» (Россия), которая состоит из 2 КА на высокоэллиптических орбитах с параметрами: высота в апогее 37 400–39 800 км, в перигее 600–3000 км, наклонение – 63,3°, период обращения – 12 ч. Эта система обеспечивает круглосуточный мониторинг поверхности и облачности над сушей и морем в Арктическом регионе и прилегающих территориях, постоянный и надёжный обмен метеорологической информацией, определение местоположения судов, самолётов и других подвижных объектов, терпящих бедствие, в рамках международной спутниковой системы поиска и спасания КОСПАС-САРСАТ. КА системы «Арктика» предоставляют услуги связи в любой точке земного шара.
С 2025 г. начнётся развёртывание входящей в федеральный проект «Сфера» (Россия) низкоорбитальной многоспутниковой системы передачи данных «Марафон IoT», которая будет состоять из 264 КА, расположенных на низких круговых орбитах с параметрами: высота орбит – 750 км, количество орбитальных плоскостей – 12, наклонение – 87,2°, период обращения – 99,746 мин. Система будет предоставлять услуги связи и доступа в Интернет в любой точке земного шара. В орбитальную группировку «Сфера» войдут пять спутниковых группировок связи – «Ямал», «Экспресс-РВ», «Экспресс», «Скиф» и «Марафон».